Resistência ao Cisalhamento

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ESTUDO DA RESISTÊNCIA AO 
CISALHAMENTO DOS SOLOS
Por que ocorre a ruptura em uma obra de terra?
Solicitações na obra;
Resistência dos solo a essas solicitações;
Resistência ao cisalhamento do solo;
Deve-se equacionar diversas solicitações envolvidas na obra e
verificar se o solo resiste a estas solicitações, determinando-se a
resistência ao cisalhamento mobilizada pelo solo.
Portanto, qualquer ponto no interior de uma massa de solo é
solicitado por forças devido ao peso próprio do solo e as forças
externas aplicadas. Os esforços resistentes do solo são chamados de
tensões, cuja intensidade é medida pela força por unidade de área.
Qualquer problema de ruptura em Mecânica dos Solos envolve,
portanto, uma superfície de ruptura, a qual poderá ser definida a
priori como aquela onde, em todos os seus pontos, a tensão de
cisalhamento atinge o valor limite da resistência ao cisalhamento do
solo.
A resistência ao cisalhamento de um solo em qualquer direção é a
tensão de cisalhamento máxima que pode ser aplicada à estrutura do
solo naquela direção. Quando este máximo é atingido, diz-se que o
solo rompeu, tendo sido totalmente mobilizada a resistência do solo.
Exemplos típicos onde a determinação da resistência ao cisalhamento 
do solo é que condiciona o projeto, são as análises de estabilidade de 
taludes (aterros e cortes), empuxos sobre muros de arrimo ou 
qualquer estrutura de contenção, capacidade de carga de sapatas e 
estacas. 
Define-se como resistência ao cisalhamento do solo como a
máxima tensão de cisalhamento que o solo pode suportar sem
sofrer ruptura, ou a tensão de cisalhamento do solo no plano em
que a ruptura ocorrer.
Em Mecânica dos Solos, a resistência ao cisalhamento envolve duas 
componentes: atrito e coesão.
Atrito
O atrito é função da interação entre duas superfícies na região de
contato. A parcela da resistência devido ao atrito pode ser
simplificadamente demonstrada pela analogia com o problema de
deslizamento de um corpo sobre uma superfície plana horizontal.
Sendo N a força vertical transmitida pelo corpo, a força horizontal T
necessária para fazer o corpo deslizar deve ser superior a f.N, sendo f
o coeficiente de atrito entre os materiais.
Para solos, esta relação é escrita na
forma:
τ = σ . tg φ
onde “φ” é o ângulo de atrito interno
do solo, “σ” é a tensão normal e “τ” a
tensão de cisalhamento.
Nos materiais granulares (areias), constituídas de grãos isolados e
independentes, o atrito é um misto de escorregamento (deslizamento)
e de rolamento, afetado fundamentalmente pela entrosagem ou
imbricamento dos grãos. Tal fato não invalida a aplicação da equação
anterior a materiais granulares.
Enquanto no atrito simples de escorregamento entre os sólidos o
ângulo de atrito “φ” é praticamente constante, o mesmo não ocorre
com os materiais granulares, em que as forças atuantes, modificando
sua compacidade e portanto, acarretam variação do ângulo de atrito
“φ”, num mesmo solo.
Portanto, o ângulo de atrito interno do solo depende do tipo de
material, e para um mesmo material, depende de diversos fatores
(densidade, rugosidade, forma, etc.). Por exemplo, para uma mesma
areia o ângulo de atrito desta areia no estado compacto é maior do
que no estado fofo (φ densa > φ fofa).
Coesão
A resistência ao cisalhamento do solos é essencialmente devido ao
atrito entre as partículas . Entretanto, a atração química entre essas
partículas pode provocar uma resistência independente da tensão
normal atuante no plano e constitui uma coesão real, como seu uma
cola tivesse sido aplicada ente os corpos das partículas.
Segundo Vargas (1977), de uma forma intuitiva, a coesão é aquela
resistência que a fração argilosa empresta ao solo, pelo qual ele se
torna capaz de se manter coeso em forma de torrões ou blocos, ou
pode ser cortado em formas diversas e manter esta forma. Os solos
que têm essa propriedade chamam-se coesivos. Os solos não-
coesivos, que são areias puras e pedregulhos, se desfazem facilmente
ao serem cortados ou escavados.
Nesta situação quando N = 0, existe uma parcela da resistência ao
cisalhamento entre as partículas que é independe da força normal
aplicada. Esta parcela é definida como coesão verdadeira.
A coesão real é uma característica típica de solos muito finos (siltes
plásticos e argilas) e tem-se constatado que ela aumenta com: a
quantidade de argila e atividade coloidal (Ac); relação de pré
adensamento; diminuição da umidade.
A coesão aparente é na realidade um fenômeno de atrito , no qual a
tensão normal que a determina é consequente da pressão capilar(solo
saturado), dessa forma a parcela da resistência desaparece. Ela é mais
visível nas areias, mas é nos solos argilosos que a coesão aparente
adquire maiores valores.
Ruptura do Solo
A análise do estado de tensões que provoca a ruptura é o estudo da
resistência ao cisalhamento dos solos.
Nos solos estão presentes os fenômenos de atrito e coesão, portanto,
determina-se a resistência ao cisalhamento dos solos (τ), segundo a
expressão:
“τ” é a resistência ao cisalhamento do solo;
"c" a coesão;
"σ" a tensão normal vertical;
"φ" o ângulo de atrito interno do solo
“τ” é a resistência ao cisalhamento do solo;
"c" a coesão;
"σ" a tensão normal vertical;
"φ" o ângulo de atrito interno do solo
Os critérios de ruptura que melhor representam o comportamento dos
solos são os de Coulomb e de Mohr.
O critério de Coulomb pode ser expresso como: não há ruptura se a
tensão de cisalhamento não ultrapassar um valor dado pela expressão
c+f. σ, sendo c e f constantes do material e σ a tensão normal
existente no plano de cisalhamento.
O critério de Coulomb pode ser expresso como: não há ruptura
enquanto o círculo representativo do estado de tensões se encontrar
no interior de uma curva, que é envoltória dos círculos relativos a
estados de ruptura, observados experimentalmente para o material.
Ao se fazer uma reta com a envoltória de Mohr, seu critério de
resistência fica análoga ao de Coulomb, justificando a expressão
critério de Mohr-Coloumb, que é normalmente utilizada na Mecânica
dos Solos.
A amostra de solo está submetida a uma pressão hidrostática (igual
em todos as direções). O estado de tensão deste solo é representado
pelo ponto σ3 e a tensão cisalhante é nula.
O circulo de Mohr está inteiramente abaixo da envoltória. A tensão
cisalhante (τα) no plano de ruptura é menor que a resistência ao
cisalhamento do solo (τ) para a mesma tensão normal. Não
ocorre ruptura
O círculo de Mohr tangência a envoltória de ruptura. Neste caso
atingiu-se, em algum plano, a resistência ao cisalhamento do solo e
ocorre a ruptura. Esta condição ocorre em um plano inclinado a um
ângulo "α critico" com o plano onde atua a tensão principal maior
fraqueza