Aulas Geotecnia II_Resistencia ao Cisalhamento

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO
Geotecnia II
Prof. : João Guilherme Rassi Almeida
Disciplina: Geotecnia 2
Pontifícia Universidade Católica de Goiás
1
ESTADOS DE TENSÕES E 
CRITÉRIOS DE RUPTURA
SOLOS  Resistem bem às tensões de compressão, porém apresentam resistência limitada a tração e ao cisalhamento
CISALHAMENTO  Ruptura por deslocamentos relativos entre partículas
PLANOS DE RUPTURA  Tensões cisalhantes > Resistência ao cisalhamento
2
Geotecnia II
2
ESTADOS DE TENSÕES E 
CRITÉRIOS DE RUPTURA
Tensões Principais  σv e σh
Tensão Normal ou vertical (σv)  constituição do solo e histórico de tensões
Tensão Horizontal (σh)  Difícil mensuração  f(σv)
3
Geotecnia II
Ko  coeficiente de empuxo em repouso
Areias: 0,4 e 0,5
Argilas: 0,5 a 0,7
Proporcional ao IP do solo 
- Se carregarmos uma área com uma camada de solo, a TENSÃO VERTICAL aumentará proporcionalmente ao Y (peso específico) x H (altura); porém devido aos atritos entre as partículas, as TENSÕES HORIZONTAIS não aumentam com a mesma intensidade.
3
COEFICIENTE DE EMPUXO EM REPOUSO (Ko)
4
Geotecnia II
φ’  ângulo de atrito 
Ko e φ‘  dependentes do atrito entre as partículas
Ko  Fase de carregamento  Constante
Ko  Fase de descarregamento  atrito age para impedir o alívio de tensões.
↑Ko  RSA (Razão de Sobreadensamento ou Pré-adensamento); se RSA > 4  Ko > 1 (RSA = σ_máx / σ_atual)
φ’ (argila) < φ’ (areia)
Equações válidas apenas para solos SEDIMENTARES 
Para solos RESIDUAIS ou solos que sofreram TRANSFORMAÇÕES PEDOLÓGICAS  dependerá das tensões internas originais da rocha ou dos processos de evolução (DIFÍCIL MENSURAÇÃO)
4
Tensão atuante não é necessariamente normal ao plano  Decomposta em Tensão Normal (σ) e Tensão Cisalhante (τ)
σ (+)  compressão; σ (-)  tração
τ (+)  sentido anti-horário; τ (-)  sentido horário
Existem TRÊS planos em que tensão atuante é NORMAL ao próprio plano  Tensão Cisalhante = ZERO 
Planos Principais: σ1 (maior intensidade); σ2 (intermediária); e σ3 (menor intensidade) 
TENSÕES NUM PLANO GENÉRICO
5
Geotecnia II
Tensão Cisalhante atua tangencialmente;
5
α  ângulo que forma o Plano Considerado e o Plano Principal maior (σ1) 
CÍRCULO DE MOHR
6
Geotecnia II
É possível determinar as Tensões em qualquer plano; desde que se conheças as duas Tensões Principais (σv e σh) ou as Tensões Normais e de Cisalhamento em dois planos quaisquer
Coordenadas do Centro
Raio  Máx. τ  α = 45º 
6
CÍRCULO DE MOHR – Trajetória de Tensões
7
Geotecnia II
7
CÍRCULO DE MOHR
8
Geotecnia II
Solução através das EQUAÇÕES ou mesmo GRAFICAMENTE
Plano principal maior  perpendicular ao carregamento
a) σ = 205 kPa; τ = 60,62 kPa
b) Coord. do Centro = (170; 0); 2alfa = 32,31º; τ = 63,24 kPa OU Equação do σ  descobre-se 2alfa
c) 
8
ESTADO DE TENSÕES
9
Geotecnia II
 
Pressão neutra atua hidrostaticamente, reduzindo, em igual valor, as tensões normais em todos os planos
No caso de capilaridade u(-)  deslocamento inverso
Tensões de cisalhamento são independentes da pressão neutra
9
RESISTÊNCIA DOS SOLOS
10
Geotecnia II
 
Atrito
Atingido esse ângulo, a componente tangencial é maior do que a resistência ao deslizamento, que depende da componente normal.
10
RESISTÊNCIA DOS SOLOS
11
Geotecnia II
 
Atrito (continuação...)
Areias  Forças expulsam a água da superfície, logo os contatos ocorrem entre os grãos;
Argila  Partículas de diâmetros menores, com numero de partículas bem maiores  Forças transmitidas reduzidas; 
 Argila  Envolvidas por moléculas de água (responsável pelo adensamento secundário)  dependentes da velocidade de carregamento	
 
11
RESISTÊNCIA DOS SOLOS
12
Geotecnia II
 
COESÃO REAL  parcela da resistência ao cisalhamento de solos devido a atração iônica + cimentação + tensões residuais  influenciam bastante nos solos pedologicamente evoluídos
COESÃO APARENTE  tensões capilares (menisco água-ar); com a saturação do solo, torna-se nula.
Coesão
12
CRITÉRIOS DE RUPTURA MOHR-COULOMB
13
Geotecnia II
 
As envoltórias são curvas (difícil aplicação), logo são ajustadas a retas;
 
13
CRITÉRIOS DE RUPTURA MOHR-COULOMB
14
Geotecnia II
 
14
CRITÉRIOS DE RUPTURA MOHR-COULOMB
15
Geotecnia II
 
15
ENSAIOS – RESISTÊNCIA DOS SOLOS
16
Geotecnia II
 
ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO
Aplica-se uma tensão normal ao plano horizontal e verifica-se a tensão cisalhante que provoca a ruptura ao longo deste plano
Para cada esforço normal (N), determina-se o esforço tangencial necessário para romper a amostra ao longo do plano horizontal (Tmáx)
O deslocamento vertical é também medido, indicando a variação volumétrica durante o cisalhamento
Velocidade  cte e baixas (para ñ gerar pressões neutras)
d = deformação
16
ENSAIOS – RESISTÊNCIA DOS SOLOS
17
Geotecnia II
 
ENSAIO DE COMPRESSÃO TRIAXIAL
Estado hidrostático de tensões (atua em todas as direções) e de um carregamento axial sobre um CP cilíndrico
1º CP envolto por uma membrana de borracha em uma câmara de ensaio cheia de água. Aplica-se a tensão confinante (σc). 
Carregamento axial por pistão de carga (ensaio com carga controlada) ou pelo movimento ascendente da câmara (deformação controlada). Neste último a carga é medida por um anel dinamométrico ou célula de carga intercalada no pistão.
Tensão desviadora: σd = σ1 - σ3
17
ENSAIOS – RESISTÊNCIA DOS SOLOS
18
Geotecnia II
 
ENSAIO DE COMPRESSÃO TRIAXIAL
Cada etapa  solicitação drenada ou não drenada
Solicitações drenadas  adensamento do CP; mede-se a variação volumétrica.
Solicitações não drenadas  possível medir as pressões neutras geradas 
CD  consolidated drained
CU  consolidated undrained
UU  unconsolidated undrained
18
ENSAIOS – RESISTÊNCIA DOS SOLOS
19
Geotecnia II
 
ENSAIO DE COMPRESSÃO TRIAXIAL
Ensaio adensado drenado (CD) drenagem permitida em ambas etapas. Parâmetros: resistência em termos de tensões efetivas; Emprego: análise da resistência ao cisalhamento de solos permeáveis.
 Ensaio adensado não drenado (CU)  drenagem permitida apenas na primeira etapa. Parâmetros: resistência em termos de tensões totais e efetivas; Emprego: análise a curto e a longo prazo da resistência ao cisalhamento de solos de baixa permeabilidade consolidados.
 Ensaio não adensado não drenado (UU)  drenagem não permitida em ambas etapas. Parâmetros: resistência obtida em termos de tensões totais; Emprego: análise a curto prazo da resistência ao cisalhamento de solos de baixa permeabilidade não consolidados.
Obs: ensaios com medida de pressão neutra barra sobre sigla. 
 Ex: CU
CD  consolidated drained
CU  consolidated undrained
UU  unconsolidated undrained
19
RESISTÊNCIA DOS SOLOS - AREIAS
20
Geotecnia II
 
RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DAS AREIAS
Resistência de areias puras ou com teor muito pequeno de finos (< 12%)  resistência ao cisalhamento devido contato entre os grãos minerais.
Materiais permeáveis (não são geradas pressões neutras nas solicitações)  condições drenadas  termos de tensões efetivas
Areias puras (sem presença de finos ou agentes cimentantes)  inexiste coesão real.
Pode ocorrer coesão aparente em areias não saturadas (castelo de areia).
20
RESISTÊNCIA DOS SOLOS - AREIAS
21
Geotecnia II
 
Ensaio Triaxial CD
Areia fofa
↑σd  ↑ε; até σd(max)
Redução Volumétrica
Areia compacta
Três trechos:
– inicial  ↑σd (rapidamente) com a ε
(σd x ε íngreme); ↓Volume 
– próximo ao pico  ↑σd (max); Volume da amostra tende a aumentar (dilatância)
– final  curva σd x ε aproxima-se da areia no estado fofo; Peq. variação volumétrica.
Pico
Residual
E  deformação axial
O processo de cisalhamento das areias fofas provoca uma reacomodação das partículas, que se dá com a redução do volume;
Cisalhamento das areias compactas exige um aumento de volume;
21
RESISTÊNCIA
DOS SOLOS - AREIAS
22
Geotecnia II
 
ÍNDICE DE VAZIOS CRÍTICO DAS AREIAS
Índice de vazios no qual a areia não sofre variação de volume (redução ou expansão) com o cisalhamento
ecrit.  Inicialmente redução de volume; seguido de aumento de volume; instante de ruptura (D v = 0)
Após Ruptura  todas as amostras tendem ao ecrit
Areia FOFA  tende a compactar
Areia COMPACTA  tende a dilatar
Acidentes geotécnicos = TERREMOTOS
22
RESISTÊNCIA DOS SOLOS - AREIAS
23
Geotecnia II
 
ÍNDICE DE VAZIOS CRÍTICO DAS AREIAS
Carregamentos sem possibilidade de drenagem (principalmente areia fina) Terremotos ou queda de avião nas proximidades
(Ganho de Resistência)
Fundações de usinas nucleares devem ser levadas em conta tremores 
FOFA  ÁGUA TENDE A SAIR DE UMA VEZ
COMPACTA  ÁGUA TENDE A ENTRAR NOS VAZIOS DE UMA VEZ
23
RESISTÊNCIA DOS SOLOS - AREIAS
24
Geotecnia II
 
FATORES DE INFLUÊNCIA NO ÂNGULO DE ATRITO
a) Compacidade relativa
b) Tamanho dos grãos  Pouco influencia (indiretamente: distribuição granulométrica e compacidade)
c) Forma dos grãos
d) Distribuição granulométrica
e) rugoso  maior atrito dos grãos
24
RESISTÊNCIA DOS SOLOS - AREIAS
25
Geotecnia II
 
FATORES DE INFLUÊNCIA NO ÂNGULO DE ATRITO
e) Rugosidade dos grãos (maior atrito  maior resistência)
f) Resistência dos grãos  f(composição mineralógica, nível de tensões e forma e tamanho do grão)
A resistência dos grãos interfere na resistência da areia embora a ruptura seja concebida como um processo de deslizamento e rolagem dos grãos.
g) Presença de água
Areias saturadas  muito pequena
Areia não saturadas  ganho de resistência - coesão
aparente
e) rugoso  maior atrito dos grãos
25
RESISTÊNCIA DOS SOLOS - AREIAS
26
Geotecnia II
 
e) rugoso  maior atrito dos grãos
26
RESISTÊNCIA DOS SOLOS - ARGILAS
27
Geotecnia II
 
Curvas tensão x deformação:
AREIAS
independentes para cada (e0)
carregamentos não resultam em elevadas reduções do (e)
compactação por meio de vibrações
27
RESISTÊNCIA DOS SOLOS - ARGILAS
28
Geotecnia II
 
Curvas tensão x deformação:
ARGILAS
Formam-se com elevados (e)
(e) baixos  f (tensão de pré-adensamento)
(e0)  f(tensões no solo)
28
RESISTÊNCIA DOS SOLOS - ARGILAS
29
Geotecnia II
 
Resistência das Argilas  Baixa permeabilidade (carregamento drenado ou não drenado)
Carregamento Drenado (CD)
 ( D volume ≠ 0 e D u = 0)
Carregamento não drenado (CU) 
(D volume = 0 e D u ≠ 0)
29
RESISTÊNCIA DOS SOLOS - ARGILAS
30
 
RESISTÊNCIA DAS ARGILAS  TENSÕES EFETIVAS
Ensaios triaxiais drenados (CD)
Resistência acima das tensões de Pré Adensamento (reta virgem)
Resistência abaixo das Tensões de Pré Adensamento 
NA  tensões atuantes ACIMA das tensões de PA
(a)  curva tracejada  (e0) caso o solo não tivesse sido PA; 04 a 08 (trecho NA)
(b)  Carregamentos axiais  tensões desviadoras crescem lentamente com as deformações verticais
(c) e (g)  corpos de prova com redução de volume (tensões confinantes maiores do que tensões de PA)
30
RESISTÊNCIA DOS SOLOS - ARGILAS
31
 
ENVOLTÓRIAS DE RESISTÊNCIA
Até a tensão de PA  comportamento curvo; ganho de resistência  transformação em reta pelo (c’)
Após tensão de PA  comportamento reto (prolongamento passa pela origem)
c‘  intercepto de coesão efetiva
(σPA) elevado  (c‘) elevado 
31
RESISTÊNCIA DOS SOLOS - ARGILAS
32
 
Valores típicos de resistência das Argilas
Ângulo de atrito  f(constituição)  inverso ao teor de argila
c‘  situa-se entre 05 a 50 kPa
32
33
 
COMPARAÇÃO
Comportamento entre AREIA e ARGILAS
Argilas NA  Areias FOFAS
Lento acréscimo de tensão axial com a deformação
Diminuição de volume no carregamento
Argilas CONFINADAS  Areias COMPACTAS
Acréscimos mais rápidos de tensão axial
Resistência de pico para pequenas deformações
Queda de resistência após atingir valor máx.
Aumento de volume no processo de cisalhamento
(σ < σPA)
Razão de Pré Adensamento  e_crítico
Variação de volume = zero (na ruptura)
33
RESISTÊNCIA DOS SOLOS - ARGILAS
34
 
RESISTÊNCIA DAS ARGILAS  TENSÕES TOTAIS
Ensaios triaxiais (CU)
Resistência acima das tensões de Pré Adensamento (reta virgem)
Resistência abaixo das Tensões de Pré Adensamento 
34
RESISTÊNCIA DOS SOLOS - ARGILAS
35
 
ARGILAS NORMALMENTE ADENSADAS 
ARGILAS PRÉ ADENSADAS
35