Mecanica dos solos II - Tensões e capilaridade

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MECÂNICA DOS SOLOS II
Prof. Carlos Eduardo Moreira Guarido
OBJETIVO
✓Propiciar ao aluno os conhecimentos sobre as propriedades hidráulicas, métodos de
investigação e as propriedades de resistência dos solos, relacionando-as com as aplicações em
projetos de barragens, estradas, fundações, etc.
OBJETIVO ESPECÍFICO
✓ Fornecer ao aluno os conhecimentos sobre: métodos de investigação em laboratório e campo,
apresentar as teorias sobre a ruptura dos solos e seus problemas, apresentar os métodos de
cálculo da estabilidade de taludes e de empuxos de terra, apresentar os conceitos fundamentais
sobre o cálculo de obras de contenção e de capacidade de carga de fundações.
EMENTA
Tensões no Solo.
Compressibilidade e a Teoria do Adensamento.
Resistência ao cisalhamento.
Empuxos de terra.
Muros de arrimo.
BIBLIOGRAFIA BÁSICA
CAPUTO, H. P.; CAPUTO, A. N. Mecânica de solos e suas aplicações: fundamentos. 7ª ed. vol. 1, 2 e
3, Rio de Janeiro: LTC, 2015.
PINTO, C. S. Curso básico de mecânica dos solos. 3ª ed. São Paulo: Oficina de Textos, 2006.
Unidade 1
Tensões no solo. 
Considerações
• O conhecimento das tensões atuantes em um maciço de terra, sejam elas
advindas do peso próprio ou em decorrência de carregamentos em superfície;
• Ainda pelo alívio de cargas provocado por escavações, é de vital importância no
entendimento do comportamento de praticamente todas as obras de
engenharia;
• Há uma necessidade de se conhecer a distribuição de tensões (pressões) nas
várias profundidades abaixo do terreno para a solução de problemas de
recalques, empuxo de terra, capacidade de carga no solo, etc..
Tensões
• Deve-se partir do conceito de tensões, para a aplicação da Mecânica
dos Sólidos Deformáveis aos solos. Podemos considerar que os solos são
constituídos de partículas e que forças aplicadas a eles são transmitidas
de partícula a partícula, além das que são suportadas pela água dos
vazios
Tensões
• A maneira na qual as forças que são transmitidas entre as partículas é
muito complexa e depende do tipo de mineral.
• Nas partículas maiores como os grãos de silte e areias, a transmissão é
feita através do contato direto de mineral a mineral. Nas partículas de
mineral argila, devido serem elas um número muito grande as forças em
cada contato são muito pequenas e a transmissão pode acontecer
através da água quimicamente adsorvida.
Tensões
Água adsorvida
• Água mantida na superfície dos grãos de um solo por esforço de atração
molecular.
Área de contato dos grãos - desprezível
Tensões
Tensões
Tensões na massa de solo
• Tensões devido ao peso próprio;
• Tensões devido a propagação de cargas externas aplicadas ao terreno.
Tensões
Tensões na massa de solo
Tensões
Exercício 1
• Calcule a tensão total a 15m de profundidade.
Tensões
Tensões
Tensões no solo – Água no solo e pressão da água
• A água nos poros de um solo saturado possui uma pressão conhecida
como pressão de poro ou pressão neutra - u
Tensão Efetiva
• Com o objetivo de simplificar a análise do comportamento do solo é
comum se considerar o solo como um meio contínuo.
• A natureza das partículas são ignoradas e todos o solo é modelado
como uma pequena área finita ou muito pequena (infinitesimal).
• A estas áreas são definidas propriedades de massas do solo e servem
como elementos onde são aplicadas as tensões e deformações.
• Na realidade tanto as tensões como os deslocamentos agem nos pontos
de contatos entre as partículas.
Tensão Efetiva
Por que é tão importante?
• Porque todos os efeitos mensuráveis devido a mudança de tensão são
exclusivamente devidos a mudanças na tensão efetiva.
• Os efeitos são:
- Compressão (variação de volume devido a tensão normal);
- Distorção (mudança de forma devido a tensão cisalhante);
- Mudança na resistência.
• Assume-se que para o nível de tensão usual da engenharia, aproximadamente
700kPa, a água e as partículas sólidas são incompressíveis e o ar altamente
compressível.
• A compressibilidade e resistência do “esqueleto” sólido como uma massa
depende das propriedades das partículas, da estrutura do “esqueleto” e da
história de tensões.
Tensão Efetiva
Consequências
• O solo saturado só pode variar de volume se a água sair dos poros ou entrar nos
mesmos.
• Se não se permite que um solo saturado mude seu volume de água intersticial o
mesmo não poderá mudar de volume. Isto chama-se condição não drenada.
• Sob estas condições de carregamento (não drenado) a reação do solo é: mudar
a pressão da água (positiva ou negativa).
Tensão Efetiva
Consequências
• Isto acontece para compensar a mudança de tensão.
• Se por outro lado é permitida a drenagem ou absorção da água nos poros o
carregamento é chamado drenado.
• Nos solos não saturados e secos o pode haver mudanças de volume sem ganho
ou perda de água.
Tensão Efetiva
Tensão Efetiva
u−= '
Tensão total
Poropressão
Tensão Efetiva
Tensões = 1 kPa
Deformação 
(saída de água dos 
vazios)
Acréscimo de 
Tensões Efetivo
Tensões = 1 kPa
Sem Deformação 
(Pressão atua 
também nos vazios)
Pressão Neutra
Repouso
Tensão Efetiva
Tensão Efetiva
Tensão Efetiva
Exercício 2
• Calcule a tensão efetiva para cota –7m.
Tensão Superficial e Capilaridade
• A água apresenta um comportamento
diferenciado na superfície em contato com o
ar;
• Forças intermoleculares: atração dos
hidrogênios de determinadas moléculas de
água com os oxigênios das moléculas
vizinhas;
• Tensão superficial: fina membrana elástica
na superfície da água.
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
Tensão Superficial e Capilaridade
• Água em contato com um corpo sólido:
superfície livre da água faz uma curvatura -
forças químicas de adesão;
• Depende do tipo de material e o grau de
limpeza.
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
Tensão Superficial e Capilaridade
• Membrana flexível como uma superfície
curva: diferença de pressão nos dois lados
da membrana;
• Diferença das tensões: equilibrada pela
resultante de tensão superficial.
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
Tensão Superficial e Capilaridade
• Superfície da água no tubo
capilar é curva;
• O ângulo formado depende do
material do tubo;
• Altura da ascensão: peso da
água no tubo igual a resultante
da tensão superficial.
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
Tensão superficial e Capilaridade
• A altura de ascensão capilar é inversamente proporcional ao raio do
tubo.
Obs.: A tensão superficial da água a 20ºC é de 0,073 N/m²:
- Tubos de 1 mm de diâmetro → hc = 3 cm;
- Tubos de 0,1 mm de diâmetro → hc = 30 cm;
- Tubos de 0,01 mm de diâmetro → hc = 3 m.
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
Pressões na água em meniscos
capilares
PRESSÃO em “A"
• Pressão igual à pressão
atmosférica.
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
Pressões na água em meniscos
capilares
PRESSÃO em “B” e "C"
• Pressão é acrescida do peso de
água (γw.h).
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
Pressões na água em meniscos
capilares
PRESSÃO em “E”
• Pressão igual à pressão
atmosférica menos a altura do
ponto até a superfície da água
vezes o peso específico da água.
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
Pressões na água em meniscos
capilares
PRESSÃO em “F”
• Imediatamente acima do
menisco está na pressão
atmosférica.
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
Pressões na água em meniscos Capilares
• A água nos vazios do solo, na faixa acima do lençol freático, está sob
uma pressão abaixo da pressão atmosférica;
• Pressão neutra é negativa;
• Sendo "u" negativo: tensão efetiva é maior do que a tensão normal;
• Pressão neutra negativa provoca uma maior força nos contatos dos
grãos, aumentando a tensão efetiva.
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
Pressões na água em meniscos Capilares• Água livre não suporta tensões de tração superiores a 100 kN/m²
(10m de coluna d’água);
• Fenômeno na cavitação;
• Em meniscos capilares: altura de ascensão capilar superior a 10m.
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
Água capilar nos solos
• Vazios dos solos: muito
pequenos, podem ser
associados a tubos capilares;
• Grau de saturação em função
da altura sobre o NA.
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
Água capilar nos solos
PONTO “A"
• Altura máxima de ascensão
capilar (depende do tamanho
dos vazios e partículas.
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
Água capilar nos solos
PONTO “B"
• Grau de saturação
aproximadamente constante.
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
Água capilar nos solos
PONTO “C” e “D"
• Água em canais contínuos
comunicados com o lençol
freático.
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO
Meniscos capilares independentes
do NA
• Aproximação das partículas;
• Coesão aparente.
AÇÃO DA ÁGUA CAPILAR NO SOLO