Aula 11 Resistência ao Cisalhamento dos Solos Ensaios para determinar a resistência ao cisalhamento

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Mecânica dos Solos 2
Aula 10: Resistência ao 
Cisalhamento dos Solos - Ensaios
PROFª: LETÍCIA AZEVEDO DE FARIAS PEREIRA
EMAIL: let ic ia .azevedo@ufersa.edu.br
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI -ÁRIDO
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
Ensaios de Laboratório
Há vários métodos de laboratório disponíveis atualmente 
para se determinar os parâmetros de resistência ao 
cisalhamento (isto é: c, Ø, c’ e Ø’) para vários corpos de 
prova de solo no laboratório.
Os principais métodos utilizados são:
• Ensaio de Compressão Simples;
•Ensaio de Cisalhamento Direto;
• Ensaio de Compressão Triaxial;
Ensaios de Laboratório
Ensaio de Compressão Simples
Consiste em ensaio com os corpos de 
prova em uma prensa aberta em que só 
se tem condição de aplicar a pressão 
axial σ1, uma vez que, sendo a prensa 
aberta não há condição de aplicar 
pressões laterais, isto é, σ3=0. Tem-se 
assim um só círculo e ϕ = 0. 
Logo só é aplicável a solos puramente 
coesivos.
Ensaios de Laboratório
Ensaio de Compressão Simples
O resultado desse tipo de ensaio produz o círculo de Mohr a 
seguir:
Ensaios de Laboratório
Ensaio de Compressão Simples
Análise do ensaio de compressão simples com o corpo de prova 
rompido:
Ensaios de Laboratório
Ensaio de Compressão Simples
Os valores desses ensaio são 
extremamente limitados na sua 
interpretação e utilização prática em 
geotecnia. 
São mais aplicados para identificar as 
consistências das argilas e, quando 
ensaiados em amostras naturais e 
amolgadas nos dão condição de 
determinar a sensibilidade das argilas.
Ensaios de Laboratório
Ensaio de Compressão Simples
Em função de seus resultados temos uma classificação válida para 
qualquer ocorrência de estrutura de argila onde o valor Rc é dado 
como resistência à compressão simples.
Ensaios de Laboratório
Ensaio de Cisalhamento Direto
O ensaio de cisalhamento direto é o mais antigo procedimento 
para a determinação da resistência ao cisalhamento e se baseia 
diretamente no critério de Coulomb.
Aplica-se uma tensão normal num plano vertical e verifica-se a 
tensão cisalhante que provoca a ruptura. 
Ensaios de Laboratório
Ensaio de Cisalhamento Direto
Para o ensaio, um corpo de prova é colocado parcialmente numa 
caixa de cisalhamento, com sua metade superior dentro de um 
anel, como se mostra no esquema. 
Aplica-se inicialmente uma força vertical N. Uma força tangencial 
T é aplicada ao anel que contém a parte superior do corpo de 
prova, e provoca seu deslocamento.
Ensaios de Laboratório
Ensaio de Cisalhamento Direto
As forças T e N dividas pela área da seção 
transversal do corpo de prova, indicam as 
tensões σ e τ que nele ocorrem. A tensão 
τ pode ser representada em função do 
deslocamento no sentido do 
cisalhamento.
Na curva obtida identifica-se a tensão de 
ruptura, τmax, e a tensão residual que o 
corpo de prova ainda sustenta, após 
ultrapassada a situação de ruptura, τres.
Ensaios de Laboratório
Ensaio de Cisalhamento Direto
O deslocamento vertical durante o ensaio 
também é registrado, indicando se houve 
diminuição ou aumento de volume 
durante o cisalhamento.
Por meio da realização de ensaios com 
diversas tensões normais, obtém-se a 
envoltória de resistência.
Ensaios de Laboratório
Ensaio de Cisalhamento Direto
Ensaios de Laboratório
Ensaio de Cisalhamento Direto
▪ O controle das condições de drenagem é difícil, pois não há
como impedi-la.
▪ Ensaios em areias são feitos sempre de forma que as pressões
neutras se dissipem, e os resultados são considerados em termos
de tensões efetivas.
▪ No caso de argilas, pode-se realizar ensaios drenados, que são
lentos, ou não drenados. Neste caso, os carregamentos devem
ser muito rápidos, para impossibilitar a saída da água.
Ensaios de Laboratório
Ensaio de Cisalhamento Direto
Ensaios de Laboratório
Ensaio de Cisalhamento Direto
No cisalhamento alguns solos sofrem, além das deformações 
cisalhantes, compressão ou expansão.
Ensaios de Laboratório
Ensaio de Cisalhamento Direto
No cisalhamento alguns solos sofrem, além das deformações 
cisalhantes, compressão ou expansão.
Ensaios de Laboratório
Índice de Vazios Crítico
Durante um ensaios de cisalhamento em 
areia compacta, há a tendência de o corpo 
de prova dilatar à medida que o ensaio 
avança. Da mesma forma, em areia fofa, o 
volume diminui gradualmente. 
Esse aumento ou diminuição significa 
variação no índice de vazios do solo.
O índice de vazios para o qual a variação em 
volume permanece constante durante o 
cisalhamento é chamado então de índice de 
vazios crítico.
AMB-1035 MECÂNICA DOS SOLOS II
Ensaio de Compressão Triaxial
✓ É um dos mais confiáveis métodos disponíveis para 
a determinação dos parâmetros de resistência ao 
cisalhamento. 
✓ Neste ensaio, o corpo de prova é envolvido por 
uma fina membrana de borracha e colocado 
dentro de uma câmara cilíndrica que é 
normalmente preenchida com água. 
✓ O CP é submetido a uma tensão de confinamento 
por compressão do fluido na câmara. Para provocar 
a ruptura por cisalhamento deve-se aplicar uma 
tensão axial por meio de uma haste.
Ensaios de Laboratório
AMB-1035 MECÂNICA DOS SOLOS II
Ensaio de Compressão Triaxial
✓ A pressão confinante atua em todas as direções, 
inclusive na direção vertical. 
✓ O corpo de prova fica sob um estado hidrostático 
de tensões.
✓ A carga é medida por meio de um anel 
dinamométrico externo, ou por uma célula de 
carga intercalada no pistão. 
✓ Esse procedimento tem a vantagem de medir a 
carga efetivamente aplicada ao corpo de prova, 
eliminando o efeito do atrito do pistão na 
passagem para a câmara.
Ensaios de Laboratório
AMB-1035 MECÂNICA DOS SOLOS II
Ensaio de Compressão Triaxial
✓ Como não existem tensões de cisalhamento nas 
bases e nas laterais do corpo de prova, os 
planos horizontais e verticais são os planos 
principais.
✓ Como o ensaio é de carregamento, o plano 
horizontal é o plano principal maior.
✓ No plano principal menor, atua a pressão 
confinante.
✓ A tensão devida ao carregamento axial é 
denominada acréscimo de tensão axial
(σ1 – σ3) ou tensão desviadora.
Ensaios de Laboratório
Ensaio de Compressão Triaxial
Ensaios de Laboratório
Ensaios de Laboratório
Ensaio de Compressão Triaxial
AMB-1035 MECÂNICA DOS SOLOS II
MANEIRAS DE APLICAR A TENSÃO:
• Aplicação de tensão constante com incrementos de tensão 
até que o corpo se rompa;
• Aplicação de deformação axial constante, por meio de uma 
prensa mecânica ou hidráulica. 
Ensaio de Compressão Triaxial
Ensaios de Laboratório
AMB-1035 MECÂNICA DOS SOLOS II
OS ENSAIOS PADRÃO SÃO GERALMENTE:
• Ensaio adensado drenado ou ensaio drenado (ensaio CD)
• Ensaio adensado não-drenado (ensaio CU)
• Ensaio não-adensado não-drenado ou ensaio não-drenado (UU)
Ensaio de Compressão Triaxial
Ensaios de Laboratório
Ensaios de Laboratório
• Ensaio adensado drenado ou ensaio drenado (ensaio CD)
1. Inicialmente o CP é saturado e submetido a uma pressão de 
confinamento em toda sua volta, σ3, por compressão do fluido 
da câmara;
2. Deve-se deixar aberta a drenagem da água, mantendo assim o 
excesso de poropressão igual a 0, u = 0;
3. Como o solo é saturado o volume deformado pode ser 
verificado pelo volume de água drenado;
4. É aplicada a tensão desviadora, Δσd, de forma lenta de modo a 
não haver excesso de poropressão, Δud = 0. Essa tensão é 
aplicada até a ruptura.
Ensaios de Laboratório
Ensaio CD – Consolidated Drained
AREIA FOFA
ARGILA NORMALMENTE ADENSADA
AREIA COMPACTA
ARGILA SOBREADENSADA
Ensaios de Laboratório
C
o
m
p
re
ss
ão
Exp
an
sã
o
C
o
m
p
re
ss
ão
Ex
p
an
sã
o
Δ
V
d
Δ
V
d
Δ
σ
d
Δ
σ
d
(Δσd)f (Δσd)f
Ensaio CD – Consolidated Drained
AMB-1035 MECÂNICA DOS SOLOS II
ARGILA NORMALMENTE ADENSADA
Com as tensões principais maior e menor na ruptura para cada ensaio, os círculos 
de Mohr podem ser desenhados e as envoltórias de ruptura obtidas.
Ensaios de Laboratório
Ensaio CD – Consolidated Drained
ARGILA 
SOBREADENSADA
A envoltória de ruptura da tensão efetiva obtida para corpos de prova de argila 
sobreadensada mostra dois ramos distintos.
a
b
c
Ensaios de Laboratório
Ensaio CD – Consolidated Drained
Sobreadensada
Normalmente 
adensada
Ensaios de Laboratório
• Ensaio adensado drenado não drenado (ensaio CU)
É o ensaio mais comum entre os tipos-padrão 
1. Aplica-se a pressão confinante, σ3, e deixa-se dissipar a pressão 
neutra correspondente, ou seja, drenagem livre;
2. Assim, o corpo de prova adensa sob a pressão confinante;
3. Em seguida, carrega-se axialmente aplicando a tensão desviadora, 
sem drenagem, para provocar a ruptura por cisalhamento.
Ele é chamado também de ensaio rápido pré-adensado e indica a 
resistência não drenada em função da tensão de adensamento. 
Ensaios de Laboratório
Ensaio CU– Consolidated Undrained
Ensaios de Laboratório
Ensaio CU – Consolidated
Undrained
Ensaio CD –
Consolidated Drained
AREIA FOFA
ARGILA NORMALMENTE ADENSADA
AREIA COMPACTA
ARGILA SOBREADENSADA
Ensaios de Laboratório
Ensaio CU– Consolidated Undrained
Δ
u
d
Δ
u
d
Δ
σ
dΔ
σ
d
(Δσd)f
(Δσd)f
+
-
+
-
AMB-1035 MECÂNICA DOS SOLOS II
ARGILA NORMALMENTE ADENSADA
Envoltórias de ruptura da tensão total e da tensão efetiva para ensaios 
triaxiais adensados não–drenados.
Ensaios de Laboratório
Ensaio CU– Consolidated Undrained
Envoltória de ruptura de 
tensão efetiva
Envoltória de ruptura 
de tensão total
ARGILA 
SOBREADENSADA
Em argilas sobreadensadas, a envoltória de ruptura da tensão total 
obtida dos ensaios adensados não-drenados tomará a fora acima, 
composta por dois trechos.
Ensaios de Laboratório
Ensaio CU– Consolidated Undrained
Sobreadensada
Normalmente 
adensada
σ3 σ1
Τf = σ . tgϕ
Τf = c + σ . tgϕ1
Ensaios de Laboratório
• Ensaio não-adensado não-drenado (ensaio UU)
Nesse ensaio a drenagem não é permitida em nenhum estágio e por isso o 
ensaio ocorre rapidamente.
1. Com a aplicação da tensão de confinamento na câmara, σ3, a 
poropressão no corpo de prova do solo aumenta;
2. O corpo de prova do ensaio é cisalhado até a ruptura pela aplicação da 
tensão desviadora, Δσd, e a drenagem impedida.
A tensão axial acrescentada durante a ruptura é praticamente a mesma 
independentemente da pressão de confinamento da câmara.
ENSAIO UU – Unconsolidated Undrained
Ensaios de Laboratório
A envoltória de ruptura para os círculos de Mohr da tensão total torna-se uma 
linha horizontal. Da equação da resistência ao cisalhamento obtemos a 
resistência de cisalhamento não-drenada, igual ao raio do círculo.
Ensaios de Laboratório
ENSAIO UU – Unconsolidated Undrained
OBS: Esse conceito de ϕ = 0 é aplicável somente a argilas e siltes saturados, por 
isso é um tipo de ensaio realizado normalmente em corpos de prova de argila.
Ensaios de Laboratório
ENSAIO UU – Unconsolidated Undrained
ENSAIO UU – Unconsolidated Undrained
Ensaios de Laboratório
PQ R
Exercícios
1. Alguns Ensaios de Cisalhamento Direto foram realizados em
um solo arenoso seco. O corpo de prova media 11 cm x 14 cm
x 3,5 cm. Os resultados são os seguintes:
Encontre os parâmetros de resistência ao cisalhamento.
Ensaio n° Força normal 
(N)
Tensão normal 
σ=σ’ (kN/m²
Força de 
cisalhamento 
na ruptura (N)
Tensão de 
cisalhamento 
(kN/m²)
1 2,0 1,0
2 5,0 4,0
3 9,0 7,0
4 11,0 10,0
Exercícios
1. Encontre os parâmetros de resistência ao cisalhamento.
Exercícios
2. A seguir encontram-se os resultados de quatro ensaios de
cisalhamento direto drenados em uma argila sobreadensada:
• Diâmetro do corpo de prova = 50 mm
• Altura do corpo de prova = 25 mm
Determine as relações para a resistência ao cisalhamento de pico 
e a resistência ao cisalhamento residual.
Ensaio n° Força normal (N) Força de cisalhamento na 
ruptura (N)
Força de cisalhamento 
residual (N)
1 150 157,5 44,2
2 250 199,9 56,6
3 350 257,6 102,9
4 550 363,4 144,5
Exercícios
3. Um ensaio triaxial adensado drenado foi realizado em uma
argila normalmente adensada. Os resultados são os seguintes:
• σ3 = 276 kN/m²
• (Δσd)f = 276 kN/m²
Determine:
a) O ângulo de atrito, Ø’;
b) O ângulo α que o plano de ruptura faz com o plano principal
maior;
c) A tensão normal, σ’, e a tensão de cisalhamento, τf, no plano
de ruptura.
Exercícios
4. Para o mesmo ensaio triaxial drenado do Exercício 1:
a) Determine a tensão normal efetiva no plano de máxima
tensão de cisalhamento;
b) Explique por que a ruptura por cisalhamento ocorreu ao longo
do plano com α = 54,73° e não ao longo do plano de máxima
tensão de cisalhamento.
Exercícios
5. Um corpo de prova de areia saturada foi adensado sob uma
pressão de confinamento de 60 kN/m². A tensão axial foi
então aumentada e a drenagem impedida. O corpo de prova
rompeu-se quando a tensão desviadora axial atingiu 50
kN/m². A poropressão no momento da ruptura era de 41,35
kN/m². Determine:
a) O ângulo adensado não-drenado da resistência ao
cisalhamento, Ø;
b) O ângulo de atrito drenado, Ø’.
Referências
▪ PINTO, C. DE S. Curso básico de Mecânica dos solos em 16
aulas. Com exercícios resolvidos. 3 ed. São Paulo. Oficina de
textos. 2006.
▪ DAS, B. M. Fundamentos de Engenharia Geotécnica. 6 ed.
Tradução All Tasks. São Paulo. Cengage Learning. 2011.
▪ MARANGON, Marcio. Mecânica dos Solos II - Notas de aulas.
Disponível em: <http://www.ufjf.br/nugeo/pagina-do-
aluno/notas-de-aula/mecanica-dos-solos-ii/>. Acesso em 01 dez
2018.