Relatório de cisalhamento direto

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INSITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA 
DE GOIÁS CÂMPUS GOIÂNIA 
DEPARTAMENTO DAS ÁREAS ACADÊMICAS III 
ÁREA DE CONSTRUÇÃO CIVIL 
ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO 
 
 
 
 
 
 
JORDANA PORTILHO NEVES 
 
 
 
 
 
 
 
GOIÂNIA 
2016
 
 
JORDANA PORTILHO NEVES 
 
 
 
 
 
 
 
 
ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO 
 
 
 
 
 
 
 
 
Relatório a ser apresentado à disciplina de 
Mecânica dos solos II do curso de Engenharia 
Civil do Instituto Federal de Educação, 
Ciência e Tecnologia de Goiás. 
 
Orientador: João Carlos. 
 
 
 
GOIÂNIA 
2016
 
 
 
 
SUMÁRIO 
1 OBJETIVO ............................................................................................................ 6 
2 PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS PARA ENSAIO ....................................... 6 
3 EQUIPAMENTOS ................................................................................................ 6 
4 EXECUÇÃO DO ENSAIO ................................................................................... 7 
4.1 CÁLCULOS E GRÁFICOS ............................................................................................. 11 
4.1.1 DADOS ......................................................................................................................... 11 
4.1.2 CÁLCULOS PARA TRAÇAR OS GRÁFICOS .......................................................... 12 
4.1.3 TENSÃO DE CISALHAMENTO X DESLOCAMENTO HORIZONTAL ................ 12 
4.1.4 DESLOCAMENTO VERTICAL X DESLOCAMENTO HORIZONTAL ................. 13 
4.1.5 TENSÃO NORMAL X TENSÃO CISALHANTE ...................................................... 14 
4.1.6 TABELAS DE RESULTADOS.................................................................................... 14 
4.2 COMENTÁRIOS ............................................................................................................... 17 
CONCLUSÃO ........................................................................................................ 20 
5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................. 21 
 
 
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ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO 6 
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1 OBJETIVO 
Executar o ensaio de cisalhamento direto utilizando-se de uma caixa de seção quadrada 
para se obter, através da interpretação de uma envoltória linear, os valores de ângulo de atrito 
interno do solo e do intercepto coesivo. 
2 PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS PARA ENSAIO 
As amostras foram coletadas pelo professor João Carlos, e trazidas ao laboratório dentro 
do amostrador envolto com plástico para manter o teor de umidade. A amostra é deformada. 
3 EQUIPAMENTOS 
Os equipamentos utilizados para a realização do ensaio de cisalhamento direto (Figura 1), 
segundo a norma ASTM d3080, foram: 
- Máquina de cisalhamento direto. 
- Caixa de cisalhamento. 
- Balança. 
- Talhador. 
- Cápsulas. 
Figura 1 – Materiais utilizados para o ensaio de adensamento 
 
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ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO 7 
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4 EXECUÇÃO DO ENSAIO 
 O ensaio de cisalhamento direto do solo foi realizado dia 04/06/2016, sendo a 
amostra utilizada foi a deformada e o tipo de ensaio foi o rápido. 
 Fez-se uma inspeção cuidadosa do equipamento, selecionou o anel dinamométrico 
adequado, verificou os extensômetros e escolheu as partes da caixa de cisalhamento que serão 
usadas. 
Fez-se o ensaio de compactação do solo para calcular a quantidade de solo e de água que 
serão necessários para fazer a bolacha de solo. A bolacha possui 3 cm de altura que está cravada 
no gabarito. Separou algumas capsulas para determinar a umidade, que deu próxima da ótima, na 
qual a ótima é 18,3 em relação a 17,95. 
Abaixo passa-se ao procedimento: 
Montou a caixa de cisalhamento e prendeu a parte superior da caixa de cisalhamento à 
parte inferior através dos dois parafusos de fixação (Figura 2). 
Figura 2 – Montagem da caixa de cisalhamento 
 
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ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO 8 
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O molde possui um fundo que irá encaixar na parte de cima, com parafusos que travam o 
deslocamento vertical. 
Umedece levemente a pedra porosa que irá em baixo do corpo-de-prova e o papel filtro 
logo após, inserido também a peça metálica a qual cravará o solo para evitar o deslocamento 
deste pela parte de baixo no momento de realização do ensaio. 
Transfere-se o solo para a parte de baixo do equipamento com a ajuda de uma prensa e 
faz-se o inverso dos passos anteriores com o filme, a pedra porosa e a peça metálica, inserindo 
por fim o cabeçote e os pinos laterais que levantaram a parte de baixo com a parte de cima 
durante o ensaio de cisalhamento (Figura 3). 
Figura 3 – Caixa de cisalhamento montada com o solo dentr 
 
Leva-se o corpo-de-prova para a prensa e inicia-se o ensaio (Figura 4). 
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Figura 4 – Caixa de cisalhamento sendo montada no equipamento 
 
Acertar os extensômetros horizontal, de medida de deformações cisalhantes, e vertical, de 
medida de deformações normais. Verificar e ajustar as engrenagens corretas do motor. 
Retirar os parafusos verticais de fixação e aplicar o carregamento normal. Se esta fase for 
adensada, deve-se permitir então que se processe o adensamento, anotando-se as deformações 
verticais até que se verifique ao menos 95% de adensamento. Caso seja não adensada, a aplicação 
do esforço de cisalhamento deve ser imediata. A não ser que o solo seja não coesivo, quando 
estas observações em nada influenciam. 
Separar as duas partes da caixa de cisalhamento, mantendo o corpo de prova apoiado no 
fundo do anel. Para isso retire os dois parafusos verticais de fixação e dê um giro os dois 
parafusos de levantamento, com isso levanta-se a parte superior da caixa da quantidade 
necessária. 
Soltar os parafusos de levantamento e iniciar a aplicação do esforço horizontal de 
cisalhamento. Fazer leituras em intervalos regulares de tempo, nos extensômetros vertical, 
horizontal e do anel dinamométrico. As leituras deverão ser feitas de modo que se possa definir 
bem a ruptura (queda no valor lido no anel dinamométrico) ou até o curso máximo da caixa de 
cisalhamento, caso o valor lido no anel dinamométrico não sofra redução. 
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ENSAIO DE CISALHAMENTODIRETO 10 
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São feitas no mínimo três determinações para tensões normais diferentes, resultando em 
três pares de valores de tensão normal - tensão ao cisalhamento na ruptura. A relação entre estes 
valores definirá a envoltória de resistência do solo ensaiado, donde se obtém os parâmetros de c e 
o ângulo de atrito. 
A velocidade que foi realizado o ensaio tem que ser tão lento que permita que haja 
drenagem da água que está dentro do equipamento. 
O CP é submerso em água, normalmente inundado no primeiro estagio. A realização do 
ensaio durou no máximo 2,00h. 
 A velocidade com que a altura do CP vai diminuir depende da permeabilidade do solo, 
que gera uma curva raiz quadrada do tempo versos altura do CP. 
A área de contato dos grãos vai reduzi (antes tinha uma faixa de contato de 5,1 cm, 
quando vai empurrando o solo ela vai diminuindo). Por isso que precisa fazer uma correção da 
área para cada intervalo. 
Para cada carregamento traça-se três tipos de gráficos: 
Força cisalhante x deslocamento horizontal, 
Variação volumétrica x deslocamento horizontal e 
Tensão cisalhante x Tensão normal. 
A inclinação dessa reta vai corresponder ao ângulo de atrito do solo (uma parcela de 
resistência devido ao atrito). Onde o prolongamento dessa curva que corta no eixo vertical será o 
intercepto coesivo (coesão). Como o ensaio é rápido não tem geração de poropressão. 
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Figura 5 – Equipamento para ensaio de cisalhamento direto 
 
4.1 CÁLCULOS E GRÁFICOS 
4.1.1 DADOS 
Dimensões da caixa de cisalhamento: 5,1 x 5,1 cm (L) 
Volume: 234,60 cmᵌ 
ρd moldagem: 1,653 g/cmᵌ 
wot: 18,3 % 
Tensões normais aplicadas: 1,0; 2,0; 3,0 kg/cm² 
k= 0,2703 
Velocidade de deformação: 0,36 mm/min 
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4.1.2 CÁLCULOS PARA TRAÇAR OS GRÁFICOS 
- Tensão normal (σ) 
σ= N/Área da seção transveral (Equação 1-1) 
Em que N= σ x Área (Equação 1-2) 
Para o primeiro ciclo com tensão normal igual a 1, temos: 
N= 1kg/cm² x 100 cm² = 100kg 
- Tensão cisalhante (τ) 
τ= Força cisalhante (kg)/Área corrida (cm²) (Equação 1-3) 
Em que A é a área do CP corrigida, Acorrigida= Lx(L – deslocamento horizontal em cm) 
(Equação 1-4). 
Para o primeiro ciclo com tensão normal igual a 1, temos: 
τ= (leitura do anel * k)/[5,1*(5,1-Deformação horizontal/10)] 
τ= 15*0,2703/*5,1*(5,1 - 0,01/10)] 
τ= 0,16 kg/cm² 
4.1.3 TENSÃO DE CISALHAMENTO X DESLOCAMENTO HORIZONTAL 
A Figura 6 é um gráfico que, após a realização dos cálculos para determinar a tensão de 
cisalhamento para os três estágios de tensão normal, nos dá a relação de τ x deslocamento 
horizontal, a qual encontraremos a tensão cisalhante máxima. Onde o pico de tensão cisalhante 
máxima é a de ruptura. 
 
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Figura 6: Gráfico tensão de cisalhamento x deslocamento horizontal 
 
4.1.4 DESLOCAMENTO VERTICAL X DESLOCAMENTO HORIZONTAL 
A Figura 7 mostra o deslocamento vertical x deslocamento horizontal que nos dá a 
variação de volume do CP ou mostra se houve tendência de haver dilatância ou só redução de 
volume.,l 
Figura 7: Gráfico deslocamento vertical x deslocamento horizontal 
 
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
0,00 0,50 1,00 1,50
τ 
(T
e
n
sã
o
 d
e
 C
is
al
h
am
e
n
to
) 
Deslocamento Horizontal 
τ x Deslocamento horizontal 
Tensão normal 1
kg/cm2
Tensão normal 2
kg/cm2
Tensão normal 3
kg/cm2
-0,08
-0,06
-0,04
-0,02
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0 10 20 30
D
e
sl
o
ca
m
e
n
to
 V
e
rt
ic
al
 
Deslocamento Horizontal 
Desloc. vert. x Desloc. horiz. 
Tensão normal 1
kg/cm2
Tensão normal 2
kg/cm2
Tensão normal 3
kg/cm2
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4.1.5 TENSÃO NORMAL X TENSÃO CISALHANTE 
A partir dos valores das tensões cisalhantes máximas e das tensões normais aplicadas no 
CP, traça-se um gráfico, Figura 8, que nos mostra a tensão cisalhante x tensão normal das três 
fases do ensaio. 
Figura 8: Gráfico tensão cisalhante x tensão normal das três fases do ensaio. 
 
Tensão normal x tensão cisalhante, a inclinação dessa reta vai corresponder ao ângulo de 
atrito do solo (uma parcela de resistência devido ao atrito). Onde o prolongamento dessa curva 
corta no eixo vertical será o intercepto coesivo (coesão). 
Esse gráfico nos oferece, a partir da equação y= 0,435x + 0,7733 os valores de φ (ângulo 
de atrito) igual ao arc tag 0,435 = 23,51° e c (intercepto coesivo) igual a 0,7733. 
4.1.6 TABELAS DE RESULTADOS 
As características dos corpos de prova ensaiados são apresentadas nas Tabelas 1, 2 e 3. 
 
y = 0,435x + 0,7733 
R² = 0,9947 
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
0 1 2 3 4
τ 
(T
e
n
sã
o
 d
e
 C
is
al
h
am
e
n
to
) 
σ (Tensão Normal) 
τ x σ 
σ x τ 
Linear (σ x τ) 
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ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO 15 
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Tabela 1: Parâmetros da primeira fase do ensaio de cisalhamento direto 
 
 
 
 
 
 
Deflectômetro 
leituras
Vertical (mm) Vertical (mm) Horiz. (mm)
0,00 0,00 26,01 0,00 25,00 0,00 0,00
15,00 4,05 25,98 0,16 25,00 0,00 0,05
16,00 4,32 25,96 0,17 25,00 0,00 0,10
16,00 4,32 25,93 0,17 25,00 0,00 0,15
16,00 4,32 25,91 0,17 25,00 0,00 0,20
21,00 5,68 25,88 0,22 25,00 0,00 0,25
22,00 5,95 25,86 0,23 25,00 0,00 0,30
23,00 6,22 25,83 0,24 25,00 0,00 0,35
23,00 6,22 25,81 0,24 25,00 0,00 0,40
22,00 5,95 25,78 0,23 25,00 0,00 0,45
24,00 6,49 25,76 0,25 25,00 0,00 0,50
24,00 6,49 25,50 0,25 25,01 -0,01 1,00
22,00 5,95 25,250,24 25,01 -0,01 1,50
21,00 5,68 24,99 0,23 25,01 -0,01 2,00
20,00 5,41 24,74 0,22 25,00 0,00 2,50
20,00 5,41 24,48 0,22 25,00 0,00 3,00
21,00 5,68 24,23 0,23 24,99 0,01 3,50
71,00 19,19 23,97 0,80 25,02 -0,02 4,00
104,00 28,11 23,72 1,19 25,09 -0,09 4,50
94,00 25,41 23,46 1,08 25,33 -0,33 5,00
78,00 21,08 22,95 0,92 25,45 -0,45 6,00
74,00 20,00 22,44 0,89 25,50 -0,50 7,00
73,00 19,73 21,93 0,90 25,53 -0,53 8,00
72,00 19,46 21,42 0,91 25,56 -0,56 9,00
72,00 19,46 20,91 0,93 25,56 -0,56 10,00
σ de pico 1,19
DeformaçãoTensão 
Cisalhamento 
(kg/cm²)
Área 
Corrigida 
(cm²)
Força 
Cisalhamento 
(Kg)
Leitura do 
anel obtida
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Tabela 2: Parâmetros da segunda fase do ensaio de cisalhamento direto 
 
 
 
 
 
Deflectômetro 
leituras
Vertical (mm)
Vertical 
(mm)
Horiz. 
(mm)
0,00 0,00 26,01 0,00 25,00 0,00 0,00
25,00 6,76 25,98 0,26 24,95 0,05 0,05
34,00 9,19 25,96 0,35 24,89 0,11 0,10
40,00 10,81 25,93 0,42 24,85 0,15 0,15
43,00 11,62 25,91 0,45 24,83 0,17 0,20
45,00 12,16 25,88 0,47 24,81 0,19 0,25
44,00 11,89 25,86 0,46 24,80 0,20 0,30
43,00 11,62 25,83 0,45 24,78 0,22 0,35
40,00 10,81 25,81 0,42 24,75 0,25 0,40
40,00 10,81 25,78 0,42 24,73 0,27 0,45
38,00 10,27 25,76 0,40 24,70 0,30 0,50
39,00 10,54 25,50 0,41 24,65 0,35 1,00
40,00 10,81 25,25 0,43 24,63 0,37 1,50
38,00 10,27 24,99 0,41 24,63 0,37 2,00
37,00 10,00 24,74 0,40 24,63 0,37 2,50
37,00 10,00 24,48 0,41 24,64 0,36 3,00
36,00 9,73 24,23 0,40 24,64 0,36 3,50
36,00 9,73 23,97 0,41 24,64 0,36 4,00
36,00 9,73 23,72 0,41 24,63 0,37 4,50
50,00 13,52 23,46 0,58 24,62 0,38 5,00
102,00 27,57 22,95 1,20 24,44 0,56 6,00
122,00 32,98 22,44 1,47 24,28 0,72 7,00
123,00 33,25 21,93 1,52 24,00 1,00 8,00
130,00 35,14 21,42 1,64 23,82 1,18 9,00
130,00 35,14 20,91 1,68 23,82 1,18 10,00
σ de pico 1,68
Leitura do 
anel obtida
Força 
Cisalhamento 
(Kg)
Área Corrigida 
(cm²)
Tensão 
Cisalhamento 
(kg/cm²)
Deformação
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Tabela 3: Parâmetros da terceira fase do ensaio de cisalhamento direto 
 
4.2 COMENTÁRIOS 
O ensaio de cisalhamento direto apresenta como principais vantagens sua simplicidade e 
facilidade de execução. Como desvantagens têm-se: 
v) Plano de ruptura 
Deflectômetro 
leituras
Vertical (mm)
Vertical 
(mm)
Horiz. 
(mm)
0,00 0,00 26,01 0,00 25,00 0,00 0,00
18,00 4,87 25,98 0,19 25,00 0,00 0,05
23,00 6,22 25,96 0,24 24,99 0,01 0,10
25,00 6,76 25,93 0,26 24,99 0,01 0,15
25,30 6,84 25,91 0,26 24,99 0,01 0,20
26,00 7,03 25,88 0,27 24,99 0,01 0,25
26,00 7,03 25,86 0,27 24,99 0,01 0,30
25,00 6,76 25,83 0,26 25,00 0,00 0,35
23,00 6,22 25,81 0,24 25,00 0,00 0,40
21,00 5,68 25,78 0,22 25,00 0,00 0,45
22,00 5,95 25,76 0,23 25,00 0,00 0,50
21,00 5,68 25,50 0,22 25,00 0,00 1,00
20,00 5,41 25,25 0,21 25,00 0,00 1,50
20,00 5,41 24,99 0,22 25,00 0,00 2,00
18,00 4,87 24,74 0,20 25,00 0,00 2,50
16,00 4,32 24,48 0,18 25,00 0,00 3,00
25,00 6,76 24,23 0,28 25,00 0,00 3,50
110,00 29,73 23,97 1,24 25,01 -0,01 4,00
128,00 34,60 23,72 1,46 25,01 -0,01 4,50
161,00 43,52 23,46 1,86 25,02 -0,02 5,00
175,00 47,30 22,95 2,06 25,13 -0,13 6,00
167,00 45,14 22,44 2,01 25,20 -0,20 7,00
164,00 44,33 21,93 2,02 25,20 -0,20 8,00
158,00 42,71 21,42 1,99 25,18 -0,18 9,00
156,00 42,17 20,91 2,02 25,12 -0,12 10,00
σ de pico 2,06
Deformação
Leitura do 
anel obtida
Força 
Cisalhamento 
(Kg)
Área Corrigida 
(cm²)
Tensão 
Cisalhamento 
(kg/cm²)
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NEVES, J.P 
ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO 18 
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A ruptura ocorre em um plano pré-determinado. Esta desvantagem, entretanto, favorece a 
realização de ensaios para verificação do grau de anisotropia, uma vez que pode-se moldar os 
corpos de prova de forma que o plano de ruptura fique paralelo ou perpendicular à direção da 
orientação das partículas. 
vi) Controle de drenagem 
Uma deficiência importante do ensaio de cisalhamento direto é a impossibilidade de 
controle da drenagem no corpo-de-prova, pois a caixa não tem um sistema de vedação adequado. 
Mesmo que fossem usadas placas impermeáveis no topo e no fundo da amostra, seria impossível 
impedir a saída de água, pois logo que se inicia o ensaio o deslocamento de uma parte da caixa 
sobre a outra provoca uma abertura entre elas, permitindo a drenagem. Com isso, as tensões 
efetivas seriam alteradas, tornando difícil a analise dos resultados. Por estas razões, a única 
solução é conduzir o ensaio em condições totalmente drenadas, mantendo nulas as poropressões. 
Isto é feito controlando-se a velocidade de ensaio (ensaio lento). 
vii) Deformações não uniformes 
Uma vez iniciada a aplicação da força T, o campo de deformação passa a ser desuniforme, 
ou seja, diferente para cada ponto considerado no interior do corpo de prova. As deformações 
especificas lineares ou distorcionais não podem ser determinadas a partir de observações na 
superfície da amostra. 
O modo deformação da amostra não permite a determinação da deformação axial, pois 
esta, por definição, está associada a uma variação de uma determinada dimensão em relação à 
dimensão original. 
No ensaio a dimensão horizontal da amostra permanece inalterada. Por outro lado, não se 
aplica uma condição de cisalhamento puro, 
Uma vez iniciado o cisalhamento não se tem qualquer informação sobre o estado de 
tensão ou de deformações da amostra, sendo impossível saber quais as trajetórias de tensões e 
deformações e obter módulos de deformação, como o de Young e o coeficiente de Poisson. 
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NEVES, J.P 
ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO 19 
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As únicas informações obtidas são os deslocamentos no plano de ruptura. Assim, o 
resultado do ensaio de cisalhamento direto de um corpo de prova é somente um ponto no 
diagrama de Mohr, pelo qual podem ser traçados vários círculos. 
viii) Tensões em outros planos 
As tensões normal e cisalhante são determinadas exclusivamente no plano, horizontal, 
aonde ocorre a ruptura. A determinação dos estados de tensão em outros planos só é possível 
após o traçado da envoltória de ruptura. Observa-se que o ensaio provoca rotação das tensões 
principais. 
 
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NEVES, J.P 
ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO20 
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CONCLUSÃO 
O ensaio de cisalhamento direto é o ensaio mais comum de determinação da resistência ao 
cisalhamento de solos. Esse ensaio consiste na imposição de um plano de ruptura em uma 
amostra prismática, podendo representar a condição de campo. 
O ensaio de cisalhamento direto apresenta como principais vantagens sua simplicidade e 
facilidade de execução. 
Este ensaio é geralmente drenado e é mais aplicado ao estudo da resistência ao 
cisalhamento de solos com estratificações ou xistosidades definidas, ou quando se quer avaliar a 
resistência entre contatos de diferentes materiais. 
Dessa forma, o ensaio de cisalhamento direto realizado no laboratório do IFG, possibilitou 
aos alunos uma maior compreensão das tensões na qual os solos estão submetidos e sua 
resistência a elas. 
 
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5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
Dados colhidos em laboratório 
STANDARD TEST METHOD FOR DIRECT SHEAR TEST OF SOILS UNDER 
CONSOLIDATED DRAINED CONDITIONS. ASTM D3080, 1998. 
 
 
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NEVES, J.P 
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JORDANA PORTILHO NEVES 
 
 
 
ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO 
 
 
Relatório a ser apresentado à disciplina de 
Mecânica dos solos II do curso de Engenharia 
Civil do Instituto Federal de Educação, Ciência e 
Tecnologia de Goiás. 
 
Orientador: João Carlos. 
 
 
 
Entregue em 24 de Junho de 2016. 
 
 
 
 
 
 
 
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Jordana Portilho Neves (Aluna) 
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás