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Resistência ao cisalhamento de um solo tropical não saturado Vinícius de Oliveira Kühn Universidade Federal de Goiás, Goiânia, Brasil, viniciusok87@gmail.com Gilson de F. N. Gitirana Jr. Universidade Federal de Goiás, Goiânia, Brasil, gilsongitirana@gmail.com RESUMO: Neste trabalho é abordada a resistência ao cisalhamento de um solo tropical compactado em condições saturadas e não saturadas. O material estudado é um solo típico da região Centro- oeste do Brasil, encontrado em uma área de empréstimo da Barragem João Leite. O solo estudado foi compactado nas condições correspondentes ao Proctor Normal, porém utilizando um método de compactação semi-estático, para assim obter melhor controle de qualidade e constância das propriedades dos corpos de prova. Foi planejada uma campanha de investigações experimentais que incluem ensaios triaxiais saturados, do tipo CDsat em trajetórias não convencionais, e ensaios triaxiais não saturados, do tipo CDnsat em trajetórias convencionais. Durante os ensaios triaxiais não saturados foi avaliado o comportamento volumétrico do solo por meio de um sistema de medição de volume total desenvolvido na Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong. O material estudado apresentou comportamento normalmente adensado para altas tensões confinantes e pré- adensado para baixas tensões, tanto para o caso saturado quanto para o caso não saturado. Os resultados dos ensaios sugerem que a envoltória do solo em estudo não é linear para as sucções em enstudo, com queda de ϕb ao aumento das sucções e com leve queda de ϕ’ ao aumento das tensões. O método de medição de volume total foi considerado satisfatório. PALAVRAS-CHAVE: Resistência ao Cisalhamento, Solos Não Saturados, Solos Tropicais. 1 INTRODUÇÃO Muitos dos problemas geotécnicos encontrados na prática da engenharia estão relacionados à resistência ao cisalhamento do solo, por exemplo: fundações rasas e profundas, capacidade de carga, empuxo de terra e estabilidade de taludes. Esses problemas são solucionados em sua grande maioria baseando- se na resistência ao cisalhamento e utilizando-se do conceito que os solos estejam na condição saturada. No entanto, muitos solos na natureza se encontram em condições não saturadas, principalmente em regiões áridas e semiáridas do globo terrestre. Como ocorre em grande parte do território brasileiro. A suposição de que o solo se encontra em condições saturadas pode acarretar no superdimensionamento das estruturas. A resistência ao cisalhamento dos solos saturados é bem estabelecida pela envoltória de ruptura de Mohr-Coulomb, utilizando o conceito de tensão efetiva proposto por Terzaghi (1936). Porém, para os solos não saturados, diversos modelos de comportamento foram desenvolvidos ao longo dos anos para interpretar, prever ou estimar a resistência ao cisalhamento, dentre estes estão: Fredlund, Morgenstern e Widger (1978), Vanapalli et al. (1996), Vilar (2006), dentre outros que também propõem abordagens e considerações acerca da resistência ao cisalhamento dos solos não saturados. A resistência ao cisalhamento dos solos está atrelada às variáveis de estado tensão, sendo que as variáveis de estado tensão geralmente utilizadas em solos não saturados são a tensão normal líquida )( an u e a sucção matricial )( wa uu . O objetivo principal dessa pesquisa é avaliar o comportamento mecânico saturado e não saturado de um solo tropical compactado por meio de ensaios laboratoriais. Como objetivo secundário tem-se: avaliar o comportamento volumétrico através de um sistema de medição de volume total desenvolvido na Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong. 2 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DE SOLOS NÃO SATURADOS Historicamente, a resistência ao cisalhamento dos solos saturados é descrita através da envoltória de ruptura de Mohr-Coulomb, utilizando o conceito de tensão efetiva propostos por Terzaghi (1936) citado por Fredlund e Rahardjo (1993). A envoltória de ruptura representa a resistência ao cisalhamento do solo relacionada a uma determinada tensão efetiva, obtida plotando vários círculos de Mohr. A inclinação da reta corresponde ao ângulo de atrito efetivo, ϕ', e a resistência a uma tensão nula é denominado coesão efetiva, c'. fwf u )( é a tensão normal efetiva na ruptura e ff a tensão cisalhante na ruptura, conforme Equação 1. 'tan)(' fwfff uc (1) Fredlund, Morgenstern e Widger (1978) propuseram uma equação de resistência ao cisalhamento para os solos não saturados (Equação 2), fazendo uso das variáveis de estado estabelecidas anteriormente por Fredlund e Morgenstern (1977), a tensão normal líquida, )( an u e a sucção matricial, )( wa uu , sendo aplicadas separadamente. b fwafafff uuuc tan)('tan)(' (2) b fwa uucc tan)(' (3) O ângulo de atrito efetivo, ϕ', é associado com a contribuição à resistência ao cisalhamento da tensão normal líquida. Outro ângulo, ϕb, foi introduzido e está relacionado com a contribuição da sucção matricial à resistência ao cisalhamento, e c é denominada coesão total. A envoltória de ruptura estendida para os solos não saturados (Figura 1) pode ser plotada tridimensionalmente, tendo como abcissas as duas variáveis de tensão )( an u e )( wa uu e como ordenada, a tensão cisalhante τ. Quando a sucção matricial tende a zero, a equação proposta se torna a equação para solos saturados e a envoltória de ruptura estendida retorna a envoltória de Mohr-Coulomb. Figura 1. Envoltória de resistência ao cisalhamento estendida para os solos não saturados (FREDLUND; RAHARDJO, 1993 – modificado). O comportamento do solo também pode ser representado em termos dos pontos máximos do circulo de Mohr na condição de ruptura (FREDLUND; RAHARDJO, 1993). Nesta configuração são utilizadas as variáveis p e q. A envoltória de pontos de tensão pode ser relacionada com a envoltória de ruptura Mohr- Coulomb, utilizando relações trigonométricas adequadas. Vanapalli et al. (1996) avançou no sentido de incluir a não linearidade do aumento de resistência com acréscimo da sucção nas equações de resistência ao cisalhamento dos solos não saturados. Este fenômeno foi observado em diversos ensaios realizados em solos não saturados por Escario e Sáez (1986) e Gan, Fredlund e Rahardjo (1988). Ao longo dos anos, diversos modelos de comportamento da resistência ao cisalhamento dos solos não saturados foram desenvolvidos e diferentes abordagens consideradas. 3 PROPRIEDADES DO SOLO Para a realização dos ensaios foi selecionado um solo tropical típico da região centro-oeste do país. Este solo foi coletado no platô de jusante, situado na ombreira esquerda da Barragem do Ribeirão João Leite. Apenas amostras deformadas, coletadas diretamente da área de empréstimo foram empregadas nesta pesquisa. Trata-se do mesmo local do estudo de Angelim (2011). A Tabela 1 apresenta os índices físicos do material em um perfil de solo compactado da barragem. O perfil aparenta ser razoavelmente homogêneo quanto aos seus índices físicos, uma vez que este é um perfil de solo compactado. Tabela 1. Índices físicos das amostras indeformadas (ANGELIM, 2011 - modificado). Prof. (m) e s (kN/m3) w (%) d (kN/m3) 0,25 0,69 27,55 19,9 16,32 1,15 0,70 27,38 20,6 16,09 2,45 0,80 27,34 21,715,20 3,15 0,66 27,11 20,2 16,28 4,15 0,75 27,40 19,9 15,69 5,15 0,71 27,13 20,7 15,84 7,15 0,60 26,96 20,0 16,90 Média 0,70 27,33 20,4 16,04 A partir das análises das difratometrias de Raios-X, Angelim (2011) observou que se trata de um solo laterítico, profundamente intemperizado. Apresenta como principal mineral a gibbsita, presente tanto na fração argila, quanto formando agregados das frações pedregulho, areia e silte do solo. O quartzo, proveniente da rocha-mãe, esteve presente em todas as amostras. O limite de liquidez variou de 43% a 47% e o de limite de plasticidade de 25% a 29%. Este solo foi classificado de acordo com o sistema Unificado como argila de baixa plasticidade (CL). A umidade ótima média é de 20,1% e massa específica seca máxima média de 16,57 kN/m³ (ANGELIM, 2011). 4 PROGRAMA DE ENSAIOS 4.1 Preparação de amostras As amostras deformadas e coletadas diretamente da área de empréstimo foram reunidas e homogeneizadas, formando um único material. Todas as amostras foram preparadas a partir desse material de origem. Tendo em vista a importância de padronizar os ensaios a serem realizados, fez-se necessário estabelecer um método para preparação das amostras que permita a maior homogeneidade possível. Devido a maior trabalhabilidade de amostras compactadas, optou-se pela utilização de corpos de prova compactados estaticamente em todos os ensaios. Como a metodologia para compactação dos corpos de prova (CP’s) estaticamente não possui normatização e varia bastante de autor para autor, para fins práticos, considerou-se como metodologia base o estudo de Rahardjo et al. (2004), sendo as únicas diferenças o tamanho do CP, 38 x 76 mm e o número de camadas (7). Segundo Rahardjo et al. (2004) a amostra produzida por este método apresentou-se bastante uniforme e as interfaces entre as camadas apenas aparentes. Durante a compactação foram retiradas amostras para verificação da umidade. O critério para aceitação foi de wot ± 0,5%, adotado conforme Rahardjo et al. (2004). Os CP’s após a compactação possuem o índice de vazios de 0,63 ± 0,2 e sucção média de 100 kPa. Os mesmos são acondicionados adequadamente para posterior uso. 4.2 Equipamento triaxial Os ensaios triaxiais saturados e não saturados foram realizados utilizando um mesmo sistema triaxial GDS. O equipamento é formado basicamente por: • Câmara triaxial; • Anel de extensão - para ensaios não saturados; • HKUST – Célula interna e transdutor diferencial de pressão; • 4 controladores de pressão/volume - para confinamento da câmara triaxial, para pressão na base do CP, para topo do CP e para deslocamento da base. • Transdutor de poropressão, transdutor de deslocamento, célula de carga; • Serial Pad - receptor dos sinais de transdutores e envio ao PC; • Controlador pneumático - para ensaios não saturados, aplicação de pressões confinante de ar e poropressão de ar, recebe uma pressão de ar da rede e é responsável por equalizar as pressões de ar disponíveis na rede. • PC - para recepção e análise dos dados. Nos ensaios não saturados é utilizado o anel de extensão no qual são conecatados os controladores e inserida a célula interna para medição de volume total. Para a medição da variação volumétrica, o aparelho utiliza do método HKUST (Hong Kong University of Science and Technology) desenvolvido por Ng, Zhan e Cui (2002). A medição de volume total é de fundamental importância em um ensaio não saturado. Em um ensaio saturado a variação de volume total é igual à variação do volume de água, no qual se assume que a água é incompressível. Para os solos não saturados, ocorrem variações tanto no volume de ar quanto no de água, e o ar não pode ser considerado incompressível. Torna-se, portanto, necessário avaliar a variação de volume total de maneira direta. O esquema de conexões para os ensaios não saturados pode ser melhor entendido pela Figura 2. As conexões A e D são conectadas ao transdutor diferencial de pressão, sendo que possuem um nível interno de água, que varia com a deformação do CP. A conexão H é responsável pelo confinamento de ar. As conexões C e E são ligadas a base da cerâmica de alto valor de entrada de ar. Pela conexão F aplica-se a poropressão de ar. Figura 2. Esquema das conexões em um ensaios triaxial não saturado. 4.3 Procedimento de ensaios triaxiais Os ensaios triaxiais saturados CDsat foram realizados conforme a norma americana D7181 - 11 (ASTM, 2011), com ligeiras adaptações. A saturação dos CP’s foi garantida pela percolação por um período de 1 a 2 dias, com carga hidráulica de 10 kPa. A contra pressão foi realizada até que as pressões fossem elevadas até no mínimo 500 kPa. A saturação foi considerada completa quando o parâmetro B atingiu um valor de 0,98. A consolidação foi realizada por um período mínimo de 24 horas ou até que não houvesse variações perceptíveis de volume através controlador, obtendo o trecho reto na curva V x t. A ruptura foi realizada em trajetórias não convencionais, na qual a tensão confinante não foi mantida constante. As tensões confinantes iniciais foram, 20kPa, 150 kPa, 300 kPa e 500 kPa. Para obtenção da taxa de deformação adequada, utilizou-se o procedimento prescrito na norma britânica BS – 1377: Part 8 (1990), obtendo uma taxa de 0,0053 mm/min que corresponde a uma deformação média de 1,15 x 10-4 %/s. Nos ensaios triaxiais não saturados com sucção controlada (CDnsat), a metodologia constitui essencialmente de duas fases: fase de equalização e adensamento (simultâneos) e fase de cisalhamento (FREDLUND e RAHARDJO, 1993; PEREIRA, 2006; RAMPINO et al., 1999, RAHARDJO et al., 2004). Previamente é realizada a saturação da cerâmica de alto valor de entrada de ar, com uma pressão interna de 20 kPa por um período mínimo de 12 horas. Após esse período é realizada a montagem do ensaio juntamente com a célula interna para medição de volume. Toma- se a precaução de utilizar apenas água deaerada em todas as conexões. Na fase de adensamento é aplicanda uma tensão externa confinante, e posteriormente é induzida uma sucção matricial desejada, de modo que a pressão interna não seja maior que externa. As sucções matriciais )( wa uu estudadas foram 100 e 200 kPa. A tensões líquidas )( an u utilizadas foram 20 kPa e 150 kPa para as duas sucções. E mais uma terceira tensão, 290 kPa para a sucção de 100 kPa, e 230 kPa para a sucção de 200 kPa. O valor da terceira tensão foi escolhido mediante a máxima pressão de ar a ser aplicada pelo controlador penumático (450 kPa), conforme pressão de ar disponível na rede. O processo de adensamento e equalização foi realizado durante um período de 3 dias. Posteriormente, inicia-se a ruptura com uma taxa de 0,00396 mm/min, obtida para uma ruptura em 2 dias e deformação de 15%. O flush do sistema foi realizado diariamente para remoção de bolhas de ar por ventura existentes por meio do caça bolhas (Figura 2). 4 ANÁLISE DOS RESULTADOS A seguir são apresentados os resultados dos ensaios triaxiais saturados e não saturados, ambos adensados e drenados. 4.1 Resultados ensaios CDsat Os ensaios triaxiais saturados tipo CDsat foram realizados conforme metologia explicitada. As figuras 3, 4, e 5 apresentam os resultados obtidos. A Figura 3 apresenta a deformação axialversus a tensão desviadora durante a ruptura. Observa-se que com o aumento da tensão confinante aplicada houve um acréscimo na resistência. O material apresentou comportamento bastante rígido, atingindo a resistência máxima até de 3% de deformação para todas as tensões, com módulos de elasticidada bastante semelhantes. Figura 3. Deformação axial (%) x q para os ensaios CDsat. A Figura 4 apresenta a deformação volumétrica durante o cisalhamento, obtida pela variação de volume do controlador de pressão/volume. Para as tensões confinantes de 300 e 500 kPa foi observado apenas compressão. Para a tensão confinante de 150 kPa, observa-se uma pequena compreesão acompanhado de uma leve expansão. Com a tensão confinante de 20 kPa (praticamente nula) foi observada um grande expansão do material sem nenhuma compreessão inicial. Figura 4. Deformação axial (%) x deformação volumétrica (%) para os ensaios CDsat. Ao analisar o comportamento volumétrico do solo durante o cisalhamento, sugere-se que as tensões de 300 e 500 kPa se encontram no ramo normalmente adensado da curva de compreessibilidade, nas tensões de 20 e 150 kPa no ramo pré-adensado. Observa-se também que para as tensões de 150 e 300 kPa a deformação volumétrica foi muito pequena (<1%), sugerindo a proximidade desses pontos a tensão de pré-adensamento. A envoltória de Mohr-Coulomb linear e não linear para os pontos de resistência de pico foram traçadas (Figura 5). Observa-se um bom ajuste linear, no qual o material apresentou coesão (c') de 28 kPa e ângulo de atrito (ϕ') de 33º. Neste caso os parâmetros obtido são valores médios. Nos ensaios adensados e drenados na condição natural (CDnat) de Angelim (2011), obteve-se um ângulo de atrito (ϕ') médio de 30°. E um intercepto coesivo (c') de 107 kPa, valor bem mais elevado por não ser um ensaio saturado. Ressalta-se ainda que apesar de ser o memso material, a metodologia de preparação das amostras e condição de ensaio é diferenciada. Os ajustes lineares convencionais apresentam a deficiência de extrapolarem a coesão (c’) e o ângulo de atrito (ϕ') como valores médios para os níveis de tensões estudados. Os mesmos podem não ser a representação mais fiel do comportamento do solo, uma vez que o ajuste linear é melhor empregado para tensões relativamente próximas. Isto ocorre porque com o aumento da tensão aplicada ocorre naturalmente um aumento não proporcional da resistência (LAMBE; WHITMAN, 1969). Figura 5. Envoltória de Mohr-Coulomb para os ensaios CDsat e envoltória não linear. Considerando uma envoltória não linear, em que o ângulo de atrito (ϕ') diminui ao aumento das tensões confinantes, observa-se um melhor ajuste. Neste caso, o ângulo de atrito para as tensões menores é na ordem de 37° e para tensões maiores 31°. O ajuste não linear foi realizado utilizando uma envoltória hiperbólica, semelhente ao proposto por Vilar (2006), e escrita da seguinte forma: ' ' ' ff ff ff ba c (4) Onde a e b são parâmetros de ajuste e c' o intercepto coesivo. Não foram observados aumentos de pressão na base do CP durante o processo de cisalhamento, confirmando que a taxa de deformação utilizada garantiu a drenagem e tensões efetivas. 4.1 Resultados ensaios CDnsat Os resultados dos ensaios triaxiais não saturados são apresentados nas Figuras 6, 7, 8 e 9. A nomenclatura apresentada nas figuras, têm-se T como a tensão, seguido de S, para a sucção matricial, ambas em kPa. A Figura 6 apresenta as curvas tensão desvio-deformação. Observa-se um comportamento rígido semelhante ao dos ensaios saturados. Com o aumento da tensão confinante ocorre um aumento de resistência, da mesma maneira que se observa com o aumento de sucção. Para as tensões confinantes de 20 kPa as curvas apresentam um comportamento tipicamente pré-adensado e para as outras tensões maiores normalmente adensado. Esse comportamento é confirmado quando se observa a Figura 7. Figura 6. Curvas deformação axial (%) x tensão desvio (kPa) dos ensaios CDnsat. A Figura 7 apresenta a relação deformação axial versus deformação volumétrica, obtida por meio da medição de volume total pelo método HKUST. Para as tensões mais baixas ocorre uma compressão inicial e posteriormente dilatação. Para as tensões maiores apenas compressão. As magnitudes das variações volumétricas são semelhantes entre as mesmas tensões, apesar da dificuldade de distinção devido a dispersão nos dados. Comparando essas variações com as variações dos ensaios saturados, observa-se que as magnitudes das variações foram menores para as tensões confinantes de 20 kPa, conforme o esperado, uma vez que espera-se uma menor compressão de um CP com maior sucção. Porém, para os ensaios com 150 kPa ou mais, as variações de volume dos ensaios não saturados foram na mesma ordem de magnitude dos ensaios saturados. Uma explicação para esse comportamento é que a medição de volume total se dá pela variação de volume externa do CP, e isso inclui deslocamento da membrana e compressão de pequenas bolhas de ar, o que não ocorre na medição de volume de um ensaio saturado. Figura 7. Curvas deformação axial (%) x deformação volumétrica (%) dos ensaios CDnsat. Em termos de comportamento volumétrico não saturado, espera-se que um aumento na sucção ocasione um aumento na atração das partículas de solo, diminuindo a dilatação. Por outro lado, a sucção pode aumentar os grumos de solo, o que provocaria mais dilatação em um solo pré-adensado. A Figura 8 apresenta os gráficos p’ x q dos ensaios triaxais saturados e não saturados. Esse tipo de gráfico é interessante pois representa o ponto máximo dos círculos de Mohr. Observa- se que houve boa correlação entre os ensaios de mesma sucção. Para as diferentes sucções (0, 100 e 200 kPa) a inclinação das retas se mantêm praticamente paralelas, monstrando que o ângulo de atrito foi pouco afetado com os acréscimos de sucção, gerando apenas acréscimos de coesão total. Os dados experimentais de aumento de coesão total com acréscimos de sucção matricial são apresentados na Figura 9. Ressalta-se que estes são valores correspondentes a extrapolação da envoltória linear para tensão zero, e portanto valores médios. É apresentado ainda na mesma figura o ajuste, realizado pelo método proposto por Vilar (2006). Figura 8. Gráficos p’ x q dos ensaios triaxiais saturados e não saturados. O ângulo ϕb foi obtido ligando-se as sucções matriciais de interesse através de uma reta secante. Para as sucções de 0 e 100 kPa obteve- se um valor médio de ϕb de 37°, para as sucções 100 e 200 kPa o valor de ϕb cai para 16°. Este fato, juntamente com o ajuste não linear realizado, ratifica que a envoltória do solo é não linear para as sucções em estudo. Vale enfatizar que o ângulo de atrito, ϕ’, foi da ordem de 37°, para baixas tensões, apontando assim um ângulo ϕb praticamente igual a ϕ’, de acordo com a teoria de solos não saturados (FREDLUND e RAHARDJO, 1993; VANAPALLI et al., 1996). Figura 9. Coesão total versus sucção matricial. 5 CONCLUSÕES Foi estudado o comportamento mecânico de um solo típico da região centro-oeste do país, por meio de ensaios triaxiais saturados e não saturados. Observou-se um comportamento rígido para os dois tipos de ensaios, atingindo aruptura com 3% de deformação. O solo apresentou comportamento pré-adensado para tensões de 20 kPa e normalmente adensado para as tensões maiores, tanto para os ensaios saturados quanto não saturados. Um ajuste não linear hiperbólico para os ensaios saturados foi considerado mais satisfatório que um ajuste linear convencional. Mostrando que com o aumento das tensões ocorre uma tendência de diminuição do ângulo de atrito ϕ’. Com os acréscimos de sucção obervou-se um aumento de resistência, essencialmente devido aos acréscimos de coesão total. A envoltória foi considerada não linear para as sucções matriciais em estudo, onde o valor de ϕb é igual a ϕ’ para baixas sucções e tensões, com a tendência de diminução ao aumento das sucções. Mais estudos devem ser realizados com intuito de avaliar os resultados fornecidos pelo método HKUST. REFERÊNCIAS Angelim, R. R. (2011) Desempenho de ensaios pressiométricos em aterros compactados de barragens de terra na estimativa de parâmetros geotécnicos. Tese de Doutorado, Programa de Pós- Graduação em Geotecnia, Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Brasília, 291 p. ASTM: American society for testing and materials (2011). D7181 - 11: Standard Test Method for Consolidated Drained Triaxial Compression Test for Soils. 11p. Britsh standards institution. (1990) BS – 1377: Part 8. British Standard Methods of test for Soil for civil engineering purposes: Shear Strength tests (effective tests). 28p. Escario, V. e Saez, J. (1986) Shear Strength of partly saturated soils. 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