MECÂNICA DOS SOLOS 01 aula 08 Resistencia ao Cisalhamento das Argilas

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RESISTÊNCIA DOS SOLOS ARGILOSOS
Influência da tensão de pré-adensamento na resistência das argilas
	As argilas se diferenciam das areias, por um lado, pela sua baixa permeabilidade, razão pela qual adquire importância o conhecimento de sua resistência tanto em termos de carregamento drenado como de carregamento não drenado.
	Por outro lado, o comportamento tensão-deformação das argilas, quando submetidas a um carregamento hidrostático ou a um carregamento típico de adensamento edométrico, é bem distinto do comportamento das areias. Estas apresentam curvas tensão-deformação independentes para cada índice de vazios em que estejam originalmente, como se mostra na Figura 01.,
	Carregamentos posteriores, que não criem tensões desviadoras elevadas, não produzem grandes reduções de índice de vazios. Uma areia fofa permanece fofa ainda que submetida a elevada sobrecarga. Para que uma areia esteja compacta, ela deve ser formar compacta, ou ser levada a esta situação pelo efeito de vibrações, que provocam escorregamento das partículas.
Figura 01
Influência da tensão de pré-adensamento na resistência das argilas
	As argilas sedimentares, ao contrário, se formam sempre com elevados índices de vazios. Quando elas se apresentam com índices de vazios baixos, estes são consequentes de um pré-adensamento. Em virtude disto, diversos corpos de prova de uma argila, representativos de diferentes índices de vazios iniciais, apresentarão curvas tensão-deformação que, após atingir a pressão de pré-adensamento correspondente, fundem-se numa única reta virgem. (Figura 02)
Figura 02
Influência da tensão de pré-adensamento na resistência das argilas
	A resistência de uma argila depende do índice de vazios em que ela se encontra, que é fruto das tensões atuais e passadas, e da estrutura da argila. Para um bom desenvolvimento do assunto, será estudado o comportamento de uma argila sem cimentação, não levando em conta qualquer estrutura que ela possua.
	O comportamento tensão-deformação no carregamento axial de uma argila dependera da situação relativa da tensão confinante perante a sua tensão de pré-adensamento. Por este motivo, serão analisados separadamente o comportamento para tensões confinantes acima da tensão de pré-adensamento (quando o corpo de prova está normalmente adensado na tensão de ensaio) e para tensões confinantes abaixo da tensão de pré-adensamento da amostra (quando o corpo de prova está sobre-adensado).
Resistência das argilas em termos de tensões efetivas
	A resistência ao cisalhamento das argilas, assim como a das areias, depende primordialmente do atrito entre as partículas, e, consequentemente, das tensões efetivas, ainda que na maioria dos casos a agua dos poros possa estar sob pressão. O estudo da resistência das argilas deve se iniciar, portanto, pela analise de seu comportamento em ensaios drenados. São apresentados, a seguir, resultados típicos de argilas quando submetidas a ensaios triaxiais drenados, do tipo CD.
Resistência das argilas em termos de tensões efetivas
Argilas normalmente adensadas
	Consideremos uma argila hipotética, cuja relação índice de vazios em função da pressão hidrostática de adensamento seja a indicada na Figura 03. Esta argila terá sido adensada, no passado, segundo a curva tracejada na figura, ate uma tensão efetiva igual a 3 (as tensões estão indicadas por valores absolutos, independentes do sistema de unidades; 3 poderia ser 300 kPa, por exemplo). Esta argila apresenta, atualmente, a curva de índice de vazios em função da tensão confinante indicada pela linha continua.
Figura 03
Resistência das argilas em termos de tensões efetivas
Argilas normalmente adensadas
	Consideremos a realização de dois ensaios, com tensões confinantes de 4 e de 8. Quando aplicadas estas tensões, os corpos de prova adensam sob os seus efeitos, e estarão normalmente adensados sob estes valores. Ao se fazer o carregamento axial, nestes ensaios, serão obtidas curvas com o aspecto indicado na Figura 4.
Figura 04
Resistência das argilas em termos de tensões efetivas
Argilas normalmente adensadas
	As tensões desviadoras crescem lentamente com as deformações verticais a que os corpos de prova são submetidos, a máxima tensão desviadora ocorrendo para deformações específicas da ordem de 15 a 20%. Nota-se que as tensões desviadoras são proporcionais as tensões confinantes, de forma que se os resultados forem apresentados como na Figura 05, na qual as ordenadas indicam as tensões desviadoras divididas pela tensão confinante do ensaio, as duas curvas se confundem. Este tipo de representação é denominado gráfico normalizado.
Figura 05
Resistência das argilas em termos de tensões efetivas
Argilas normalmente adensadas
	Como consequência da proporcionalidade das tensões desviadoras máximas com a tensão confinante, os círculos de Mohr representativos do estado de tensões na ruptura são círculos que definem uma envoltória reta, cujo prolongamento passa pela origem, como indicado na Figura 06. A resistência de uma argila, nestas condições, é, portanto, caracterizada somente por um angulo de atrito e expressa pela equação:
Figura 06
Resistência das argilas em termos de tensões efetivas
Argilas normalmente adensadas
	Por outro lado, observa-se que, durante o carregamento axial, o corpo de prova apresenta redução de volume, da mesma ordem de grandeza, sendo só ligeiramente maior para confinantes maiores. Este resultado está indicado nas Figuras 07 e 08.
Figura 07
Figura 08
Resistência abaixo da tensão de pré-adensamento
	Considere-se, agora, que da amostra referida como exemplo no item anterior, e que tem uma tensão de pré-adensamento igual a 3, moldem-se dois corpos de prova para ensaio triaxial drenado, com tensões confinantes iguais a 0,5 c a 2; portanto, abaixo da tensão de pré-adensamento. O pré-adensamento sob a pressão 3 fez com que estes corpos de prova ficassem nas condições 0,5 e 2 na parte (a) da Figura 03, ou seja, com índices de vazios menores do que os correspondentes aos corpos de prova nas condições 0,5' e 2’. Menor índice de vazios significa maior proximidade entre as partículas, donde um comportamento diferente que se manifesta pelos resultados indicados nas Figuras 09 e 10.
Figura 09
Figura 10
Resistência abaixo da tensão de pré-adensamento
	Estes resultados e a sua transposição para o gráfico normalizado na Figura 05 permitem as seguintes observações:
	a) Quando o solo é ensaiado sob uma tensão confinante menor do que sua tensão de pré-adensamento, o crescimento da tensão axial cm função da deformação se faz mais rapidamente, e o máximo acréscimo de tensão axial ocorre para menores deforma9oes) tanto menores quanto maior a razão de sobreadensamento (no ensaio com confinante 0,5, RSA = 6, a deformação especifica na ruptura é menor do que no ensaio com confinante 2, RSA =1,5).
	b) A máxima tensão desviadora suportada é maior do que a correspondente à mesma tensão confinante para o mesmo solo na situação de normalmente adensado, e a diferença é tanto maior quanto maior a razão de sobreadensamento.
	c) A diminuição de volume durante o carregamento axial e menos acentuada do que no caso do solo ser normalmente adensado, podendo ocorrer mesmo que o solo apresente um aumento de volume, apos uma inicial redução, no caso da razão de sobreadensamento ser elevada. Geralmente, aumentos de volume correspondente a razoes de sobreadensamento maiores do que 43 o que e o caso do ensaio com a confinante 0,5, como se apresenta nas Figuras 10 e 08.
Envoltória de resistência das argilas
	Uma argila, no estado natural, sempre apresenta uma tensão de pré-adensamento. Portanto, ao ser submetida a ensaios de compressão triaxial, alguns ensaios poderão ser feitos com tensões confinantes abaixo c outros com tensões confinantes acima da tensão de pré-adensamento. O resultado final e aquele indicado na Figura 06. A envoltória de resistência é uma curva ate a tensão de pré-adensamento, e uma reta, cujo prolongamento passapela origem, acima desta tensão.
	
Envoltória de resistência das argilas
	Não sendo pratico se trabalhar com envoltórias curvas, costuma-se substituir: o trecho curvo da envoltória por uma reta que melhor a represente. Há, naturalmente, varias retas possíveis, devendo-se procurar a reta que melhor se ajuste a envoltória, no nível das tensões do problema prático que se estiver estudando. Esta envoltória retilínea, como a indicada na Figura 11, e então definida pela equação:
Sendo c’ chamado de coesão efetiva ou mais apropriadamente, intercepto de coesão efetiva.
Figura 11
Valores típicos de resistência de argilas
	A resistência ao cisalhamento das argilas, acima da pressão de pré-adensamento, caracteriza-se pelo angulo de atrito interno efetivo. O seu valor e variável conforme a constituição da argila, mas se observa que, em geral, ele é tanto menor quanto mais argiloso e o solo. Apresentam-se, na Tabela 01, valores obtidos em ensaios sobre argilas de diversas procedências e valores correspondentes as argilas variegadas da Cidade de São Paulo, em função do índice de plasticidade das amostras.
Comparação entre o comportamento das areias e das argilas
	Com base nos resultados acima discutidos, observa-se que o comportamento das argilas normalmente adensadas e bastante semelhante ao das areias fofas: lento acréscimo de tensão axial com a deformação e diminuição de volume durante o carregamento.
	Por outro lado, o comportamento de argilas confinadas a tensões significativamente menores do que a tensão de pré-adensamento (razoes de sobreadensamento superiores a 4) e bastante semelhante ao das areias compactas: acréscimos mais rápidos da tensão axial, resistência de pico para pequenas deformações especificas, queda da resistência apos ter sido atingido o valor máximo e aumento de volume durante o processo de cisalhamento.
	O que diferencia efetivamente o comportamento dos dois materiais e a compressibilidade perante as tensões confinantes. Enquanto as argilas sofrem sensíveis reduções de índice de vazios acima das tensões de pré-adensamento, isto não ocorre com as areias, como se chamou atenção pela comparação feita nas Figuras 01 e 02. Por outro lado, enquanto a envoltória de resistência das areias passa pela origem, a envoltória das argilas apresenta um pequeno valor positivo para a tensão normal nula.
Análises em termos de tensões totais
	O comportamento dos solos e determinado pelas tensões efetivas a que estiverem submetidos. As tensões efetivas refletem as forcas que se transmitem de grão a grão, das quais resultam as deformações do solo e a mobilização de sua resistência.
	Para a analise em termos de tensões totais, realizam-se ensaios não drenados e analisam-se os resultados cm termos das tensões aplicadas. Admite-se, implicitamente, que as pressões neutras que surgem nestes ensaios são semelhantes as pressões neutras que surgiriam no carregamento real no campo. Se esta hipótese for verdadeira, a analise pelas tensões totais será semelhante a analise pelas tensões efetivas. Se a hipótese não for verdadeira, a analise será somente aproximada, como também só será aproximada a analise pelas tensões efetivas se não se conhecerem corretamente as pressões neutras atuantes. Aproximada por aproximada, empregam-se as soluções por tensões totais, que são mais fáceis.
Resistência das argilas em ensaio adensado rápido, CU
	No ensaio adensado rápido, representado pelos símbolos CU ou R, o corpo de prova e inicialmente submetido a pressão confinante e sob ela adensado. Isto pode requerer um, dois ou mais dias, dependendo da permeabilidade da argila. Ao final deste procedimento a tensão efetiva de confinamento e igual a pressão confinante aplicada; a pressão neutra e nula. A seguir, o sistema de drenagem e fechado e o carregamento axial aplicado. Em argilas saturadas, este ensaio pode ser considerado como ensaio sem variação de volume ou ensaio a volume constante.
	Consideremos, como foi feito para o estudo da resistência das argilas em ensaio drenado, uma argila saturada cuja relação do índice de vazios em função da pressão hidrostática de adensamento seja a indicada na Figura 12(a). O estudo do comportamento em ensaios CU será feito separadamente para pressões confinantes acima c abaixo da pressão de pré-adensamento.
Figura 12
Resistência das argilas em ensaio adensado rápido, CU
Argilas normalmente adensadas
	Consideremos a realização de ensaio com pressão confinante acima da tensão de pré-adensamento, a pressão 4, por exemplo, indicada na figura. Apos a aplicação da pressão confinante e do adensamento correspondente, o corpo de prova se encontra como se o ensaio fosse do tipo adensado drenado, CD. Neste ensaio, ele apresentaria o comportamento estudado na Figura 12, reproduzido na Figura 13: diminuição de volume durante o carregamento axial e nenhuma tensão neutra, pois havia drenagem.
Figura 13
Resistência das argilas em ensaio adensado rápido, CU
Argilas normalmente adensadas
	 No ensaio CU agora considerado, não ha drenagem. Em consequência, o carregamento axial provoca o aparecimento de uma pressão neutra. Esta, por sua vez, reduz a tensão confinante efetiva sobre o corpo de prova. A redução da tensão efetiva diminui a resistência da argila c, cm consequência, a tensão desviadora suportada e menor do que seria no ensaio CD para as mesmas deformações específicas.
	Este comportamento se mantem até que, na ruptura, o acréscimo de tensão axial seja menor do que o do ensaio CD, a pressão neutra é positiva e não há variação de volume.
Resistência das argilas em ensaio adensado rápido, CU
Argilas normalmente adensadas
	Comportamento semelhante é observado em ensaios com outras tensões confinantes acima da tensão de pré-adensamento, como se mostra na Figura 12(d). Tanto os máximos acréscimos de tensões axiais como as tensões neutras na ruptura são proporcionais as pressões confinantes. Desta forma, se os resultados forem representados em gráficos normalizados (as tensões divididas pela pressão confinante), como se mostra na Figura 12(f), para ensaios com confinante 4 e 8, as curvas se confundem.
	A interpretação correta deste ensaio e a caracterização da resistência não drenada em função da tensão de adensamento, que e a pressão confinante do ensaio. Neste caso, pode-se dizer que, acima da tensão de pré-adensamento, a resistência não drenada e proporcional a tensão de adensamento. 
Resistência das argilas em ensaio adensado rápido, CU
Argilas normalmente adensadas
	Da proporcionalidade entre o máximo acréscimo de tensão axial e a pressão confinante resulta que os círculos representativos do estado de tensões na ruptura determinam, como envoltória, uma reta cujo prolongamento passa pela origem, como se mostra na Figura 12(h). A resistência, portanto, acima da pressão de pré-adensamento, caracteriza-se só por um ângulo de atrito interno, chamado de angulo de atrito interno de ensaio CU, φcu.
Resistência das argilas em ensaio adensado rápido, CU
Argilas sobre-adensadas
	Quando a tensão confinante de ensaio e menor do que a tensão de pré-adensamento do solo, apos a primeira etapa do ensaio, quando o corpo de prova e adensado sob a tensão de confinamento, o solo se encontra sobre-adensado. Isto acontece quando, no exemplo apresentado na Figura 12, a tensão confinante e igual a 2. Note-se que a tensão confinante e a tensão de adensamento porque, sob ela, a pressão neutra foi reduzida a zero pela drenagem, nesta operação tanto podendo sair como entrar água no corpo de prova.
Resistência das argilas em ensaio adensado rápido, CU
Argilas sobre-adensadas
	Não havendo drenagem, ocorre um desenvolvimento de pressão neutra, só que ela será menor que a que se desenvolveria se a amostra estivesse normalmente adensada, pois menor e a tendência de redução de volume que foi impedida. O resultado típico, nestas condições, c o indicado na Figura 12(c), para a situação correspondente a pressão igual a 2.
	Quando a tensão confinante e muito menor do que a tensão de pré-adensamento,no ensaio CD, ocorre aumento de volume durante o carregamento axial, o que provoca a entrada de agua no corpo de prova. No ensaio CU, não havendo drenagem, a agua nos vazios do solo fica submetida a um estado de tensão de tração (da mesma maneira como ocorre numa seringa de injeção quando se puxa o pistão sem permitir a entrada de liquido). E o caso de um ensaio feito com tensão confinante igual a 0,5, no exemplo mostrado na Figura 12, estando o desenvolvimento da pressão neutra indicado nas Figuras 12(e) e 12(g).
Resistência das argilas em ensaio adensado rápido, CU
Argilas sobre-adensadas
	Agua sob pressão de tensão significa pressão neutra negativa. Logo, a tensão confinante efetiva aumenta de igual valor. A este aumento de tensão confinante efetiva corresponde um aumento de resistência e, em consequência, o acréscimo de tensão axial suportado e maior do que seria no ensaio CD, para as mesmas deformações especificas. Na ruptura, a tensão desviadora no ensaio CU maior do que no ensaio CD, a pressão neutra e negativa e, naturalmente, não houve variação de volume. Comparação entre os dois ensaios para a mesma pressão confinante está indicada na Figura 14.
Figura 14
Resistência das argilas em ensaio adensado rápido, CU
Argilas sobre-adensadas
	Se os resultados dos ensaios CU forem interpretados em termos de estados de tensões totais, como se mostra na figura 12(h), constata-se que a envoltória de resistência se apresenta como uma curva para tensões abaixo da pressão de pré-adensamento.
	Comparando-se as duas envoltórias, observa-se que a envoltória em tensões totais de ensaios CU fica acima da envoltória em termos de tensões efetivas, para tensões normais pequenas, justamente no caso em que a pressão neutra e negativa no ensaio CU ou que a variação de volume e de dilatação no ensaio CD.