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Mecânica dos solos II Leandro Rosatto Moda Eng Agrônomo Doutor em Ciência do Solo - UNESP S. J. RIO PRETO – SP 2018 Ementa Investigação do subsolo Compactação dos solos Tensões nos solos Tensões verticais devido à carregamentos em superfície Deformações devido a carregamentos verticais Resistência ao cisalhamento dos solos. Estabilidade de taludes. Empuxo de terra. Obras de arrimo e contenção. Barragens de terra. Objetivos Transmitir aos alunos, conceitos relativos ao ementário da disciplina, enfocando nos aspectos de resistência, consolidação e compactação do solo; capacitando-os com conhecimento sobre estabilidade de taludes, barragem e empuxo de terra, rebaixamento de lençol freático e obras de arrimo e contenção. Conteúdo programático Introdução: Ementa do curso de mecânica dos solos II e suas interações com outras disciplinas básicas e geotécnicas oferecidas. Investigação do terreno: Métodos de investigação intrusiva, amostragem, seleção do(s) método(s) de ensaio em laboratório, ensaios in situ (SPT e CPT) e métodos geofísicos. Compactação do solo: razões e histórico da compactação, o ensaio normal de compactação (Proctor), influência da energia de compactação, aterros experimentais, compactação no campo, resistência à penetração. Consolidação, compressibilidade, adensamento: Conceito de tensões num meio particulado, tensões devidas ao peso próprio do solo, pressão neutra e conceito de tensões efetivas, distribuição das tensões, tensões verticais devidas a cargas na superfície do terreno, compressibilidade dos solos, ensaio de compressão confinada, cálculo de recalque total, teoria de adensamento de Terzaghi, relação deformação x tempo, cálculo da velocidade de recalque. Resistência ao cisalhamento dos solos: Comportamento mecânico dos materiais (elasticidade e plasticidade), definição de ruptura em solos, resistência ao cisalhamento e a teoria de Mohr – Coulomb, ensaios triaxial e de cisalhamento direto, interpretação de ensaios de resistência e obtenção de parâmetros de resistência e deformabilidade, comportamento das areias e argilas. Aspectos teóricos de estabilidade de taludes: Introdução, métodos de estabilidade de taludes, considerações gerais. Aspectos teóricos de empuxos e barragens de terra, obras de arrimo e contenção: Introdução, coeficiente de empuxo e sua interação solo/estrutura, tipo de estrutura de arrimo e contenções, tipos de barragens e seus conceitos. Bibliografia BÁSICA: AZEVEDO, I.C.D. Análise de Tensões e Deformações em Solos. Viçosa: Editora UFV, 2007. CRAIG, R. F. Mecânica dos Solos. 7 ed. Rio de Janeiro: LTC (Grupo GEN), 2007. TIANDADE, T .P.; et al. Compactação dos Solos: fundamentos teóricos e práticos. Viçosa: UFV, 2008. PINTO, C.S. Curso Básico De Mecânica Dos Solos: Com Exercícios Resolvidos. São Paulo: Oficina de textos, 2006. Bibliografia COMPLEMENTAR: BARATA, F.E. Propriedades Mecânicas dos Solos. Rio de Janeiro: Livros técnicos e científicos. 1984. CAPUTO, H. P. Mecânica dos solos e suas aplicações. 6.ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1994, V1, V2 e V3. CRUZ, P.T. Mecânica dos Solos – Problemas Resolvidos. São Paulo: USP,1980. MELLO, V. Fundações e Elementos Estruturais Enterrados: Apostila. São Paulo: EPUSP-PEF, 1975. NOGUEIRA, J.B. Mecânica dos Solos – Ensaios de Laboratório. São Carlos: USP/EESC, 1998. ORTIGÃO, J. A. R. Introdução à Mecânica dos Solos dos Estados Críticos. Rio de Janeiro: LTC, 1993. PINTO, C. S. Curso básico de mecânica dos solos (com exercícios resolvidos). 3 ed. São Paulo: Oficina de Textos, 2006. SOUZA PINTO, C. Curso de Mecânica dos Solos – Exercícios Resolvidos. Oficina de textos, 2003, v.2. VARGAS, M. Introdução à Mecânica dos Solos. São Paulo.McGraw Hill, 1981. Introdução – definição Solo Em Engenharia Civil, os solos são um aglomerado de partículas provenientes de decomposição da rocha, que podem ser escavados com facilidade, sem o emprego de explosivos, e que são utilizados como material de construção ou de suporte de estruturas. Material de construção e Suporte de estruturas (natural) Introdução Solo - constituído da reunião de partículas minerais (e orgânicos) soltos ou fracamente unidos, oriundos da intemperização das rochas da crosta terrestre (fase sólida), onde os espaços vazios existentes entre esses grãos estão preenchidos de água (fase líquida) e/ou ar (fase gasosa), então o solo fica caracterizado pela existência dos grãos (esqueleto sólido) e dos vazios entre estes. Variedade global de solos (fatores de sua formação); Logo conhecer e entender o comportamento físico e mecânico (movimento) é essencial para implantação de qualquer empreendimento e para escolha de material (solo) a ser usado; Introdução Além de pensar nas estruturas (material utilizado, forma, etc.), é importante considerar todas as características do terreno. A mecânica do solos estuda o comportamento mecânico dos solos quando tensões são aplicadas (obras - fundações); ou aliviadas (escavações), ou ainda diante da percolação da água pelos espaços vazios; Logo em MEC. SOLOS, conhecer e entender cada característica (variável de influencia) do solo é de essencial importância (prever seu comportamento): Parte essencial de qualquer projeto de Eng. CIVIL Tópico aplicado à engenharia de Minas (altamente específico) – Redes de fluxo... Não queremos isso... Certo??? Introdução Disciplina com características diferentes: Na Eng. Civil geralmente se trabalha com materiais cujas propriedades são relativamente bem definidas; A variedade dos tipos de solos encontrados em problemas de engenharia é quase ilimitada, variando de blocos de pedra dura, a pedregulhos, areias, siltes, argilas até depósitos orgânicos. Para aumento de complexidade, todos estes materiais encontram-se numa ampla variedade de densidades e conteúdos de água. Em um dado local, um número diferente de tipos de solos pode estar presente, e a composição pode variar de intervalos grandes a pequenos até poucos centímetros. Introdução Trabalhos de comportamento de solos marcantes de MEC SOLOS: (Coulomb, 1773; Rankine 1856; Darcy, 1856); Por outro lado muitos insucessos em obras de Eng. Civil no inicio do sec. XX: rupturas de canais (Panamá); rompimento de taludes em estradas e canais na Europa e Estados Unidos – KARL TERZAGHI evidenciou que não se podia aplicar aos solos, leis teóricas de uso corrente em projetos que que envolviam materiais mais bem definidos como aço e concreto; Não era suficiente determinar em laboratório parâmetros de resistência de deformabilidade em amostras de solos e aplicá-los a modelos teóricos adequado àqueles materiais. Introdução Depósitos heterogêneos e de comportamento complicado - Base de estudos de Karl Terzaghi (Eng. Civil) – considerado o fundador da mecânica de solos; Trabalhos de identificar o papel das pressões da água no estudo das tensões do solo e a representação matemática para evolução dos recalques das argilas com o tempo após carregamento foram reconhecidas como marco inicial dessa nova ciência. Não se restringe apenas ao comportamento mecânico (química e a física coloidal também é importante pra justificar os comportamentos dos solos) ao passo que a geologia é essencial para solucionar problemas de fundações. Curiosidade... Investigação do Subsolo Sumário Parte Teórica Introdução Métodos de investigação intrusiva Amostragem Perfil de sondagem Referências Parte Prática (grupos) Lista de Exercícios 1 Parte Prática (individual) Pesquisa de diversos métodos de investigação de subsolo Elaboraçãode relatório prático, se possível apresentar um exemplo didático (artigos, livros, etc...) Sondagem rotativa Ensaio de Penetração de cone (CPT) Métodos geofísicos Refração sísmica Análise espectral das ondas superficiais (SASW) Método da resestividade elétrica INTRODUÇÃO Atividade preliminar essencial a execução de um projeto Obter informações para elaborar um projeto seguro e econômico Evitar dificuldades durante a construção Investigação do Subsolo INTRODUÇÃO Objetivos: a) determinar a sequência, as espessuras e a dimensão lateral dos estratos dos solos; b) obter amostras representativas dos solos e rochas para identificação e classificação; c) identificar as condições da água subterrânea. Investigação do Subsolo INTRODUÇÃO Finalidades: a) Fornecer informações adequadas para que seja selecionado o tipo mais apropriado de fundação para uma determinada estrutura; b) Indicar se existe probabilidade de surgimento de problemas especiais durante a construção Investigação do Subsolo Antes de colocar os equipamentos em ação... Estudo teórico; Coleta de informações sobre o local - Mapas geológicos - Fotografias aéreas - Mapas topográficos - Imagens de satélite - Furos de sondagens existentes - Obs: atenção especial à locais já utilizados anteriormente (riscos: fundações enterradas, serviços subterrâneos, trabalhos em minas, etc.) Investigação do Subsolo Antes de colocar os equipamentos em ação... Inspeção a pé no local e área circunvizinha Leitos de rios, escavações existentes, pedreiras a céu aberto e cortes de rodovias informações valiosas, natureza dos estratos e água subterrânea; Estruturas existentes possuem danos provenientes de recalques?? Proprietários de áreas ou autoridades locais experiência das condições da área Investigação do Subsolo Procedimento de investigação dependerá: Natureza e tipo dos estratos Tipo do projeto Procedimento de investigação envolverá: Escavação de furos de sondagem Poços de inspeção Sondagens CPT Sendo a quantidade e posição dos mesmos planejadas para que se determine a estrutura geológica básica do local Investigação do Subsolo Quanto > a variação das condições do terreno, > a qtdade de furos de sondagem ou poços de inspeção Tabela 1. Valores recomendados para espaçamento dos pontos de investigação do terreno (Eurocode 7, Parte 2: 2007). Investigação do Subsolo Tipo de construção Espaçamento dos pontos de investigação Estrutura de grande altura ou industriais Padrão de malha, com espaçamento de 15-40 m Estruturas de grandes áreas Padrão de malha, espaçamento ≤ 60 m Estruturas lineares (rodovias, ferrovias, muros de contenção, etc.) Ao longo da linha da estrutura, com espaçamento de 20-200 m Estruturas especiais (por ex.: pontes, chaminés, fundações de equipamentos) 2-6 pontos de investigação por fundação Represas e barragens Espaçamento de 25-75 m, ao longo das seções mais importantes De acordo com NBR 8036 Área construída (projeção, em m2) Número mínimo de furos <200 2 200 – 400 3 400 – 600 3 600 – 800 4 800 – 1000 5 1000 – 1200 6 1200 – 1600 7 1600 – 2000 8 2000 – 2400 9 > 2400 A critério Figura 1. Modelo de locação de furos de sondagem em terrenos (Nunes, s/d) - Importante!!! - Investigação deve ser feita até profundidade adequada de acordo com o tipo de projeto - Deve incluir todos estratos que possam ser afetados pela estrutura - Deve se estender até um ponto abaixo de todos os estratos que tenham resistência ao cisalhamento inadequada para o apoio das fundações ou que façam um recalque significativo - Encontrada rocha, perfurá-la, pelo menos, 3 metros, em mais um local (não se trata de enorme matacão) - Furos e poços devem ser preenchidos após a utilização Investigação do Subsolo - Custo: - Depende posição e tamanho do local, natureza dos estratos e tipo de projeto - Qto menos críticas as situações de seu terreno, menor será o custo de investigação - Em geral: 0,1 a 2% do custo do projeto não há justificativa para economizar nesta etapa Investigação do Subsolo MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO INTRUSIVA a) Poços de inspeção (prospecção) - Método simples e confiável - Limitação: máximo 4-5 metros - Remoção do solo por retroescavadeira - Vantagens: exame visual do solo, limites dos estratos determinados com precisão, facilidade na tomada de amostras (deformadas e indeformadas), ideal para qualquer tipo de solo. - Ex.: Poço de inspeção em parque eólico (fonte: Berater) Investigação do Subsolo Diferenciação visual dos estratos (ou horizontes) - Coleta de amostra deformada (perturbada) - Presença marcante de pedregulho Visão geral de um poço de inspeção ou prospecção em solo MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO INTRUSIVA b) Shafts (poços profundos) e galerias - Precedidos por escavação manual, laterais suportadas por madeiramento - Passagens ou galerias escavadas lateralmente no fundo dos poços profundos para o interior das encostas, apoiados nas laterais e no teto - Não é possível abaixo do lençol freático - Alto custo ($$$) aplicáveis estruturas muito grandes (represas) Investigação do Subsolo MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO INTRUSIVA c) Sondagem à percussão - Equipamento = torre de elevação (tripé) + unidade de força + guincho + cabo de aço + roldana - Pode possuir rodas para transporte da estrutura - Ferramentas de perfuração (vários tipos) - Perfuração avança através da ação percussiva - 2 ferramentas mais utilizadas: - Barrilete amostrador (empacotador, ou shell) - Cortador de argila (clay cutter) Investigação do Subsolo MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO INTRUSIVA c) Sondagem à percussão Barrilete: areias e outros solos grossos, tubo de aço pesado que contém uma aleta ou válvula de controle (clack) - Abaixo do lençol freático: percussão amolece o solo e produz uma pasta (lama) no furo - Acima do lençol freático: lama é produzida por inserção de água no furo de sondagem - Lama passa pela válvula durante a descida do amostrador e nele fica retida quando retira-se o mesmo - Quando cheio o amostrador é elevado até a superfície para ser esvaziado - Em solos sem coesão furo deve ser revestido para impedir o colapso Investigação do Subsolo MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO INTRUSIVA c) Sondagem à percussão Cortador de argila: solos finos, tubo de aço aberto com uma sapata de corte e um anel de retenção na extremidade inferior (furo de sondagem seco) - Matacões pequenos, pedregulhos e estratos duros penetrados por meio de ponteira (tipo cinzel ou formão) - Diâmetro dos furos: 150 a 300 mm - Profundidade máxima: 50 a 60 metros - Empregada na maioria dos tipos de solos, entretanto há perturbação no solo abaixo da parte inferior do furo de sondagem, onde são retirados as amostras Investigação do Subsolo Knappett e Craig (2014) MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO INTRUSIVA c) Sondagem à percussão Resistência à Penetração (SPT) - Exame da amostra = informação do estado que se encontra quanto a resistência a penetração - São anotados o número de golpes do martelo para cravar 15 cm do amostrador - Define-se como resistência à penetração: o número de golpes necessários para cravar 30 cm do amostrador. - Valor N do SPT (SPT do solo) Investigação do Subsolo MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO INTRUSIVA c) Sondagem à percussão Resistência à Penetração (SPT) - Particularidades: - Quando o solo é muito fraco a ponto da aplicação do primeiro golpe do martelo ocasionar penetração maior que 45 cm, o resultado deve ser expresso pela relação deste golpe com a penetração(Ex.: 1/58) - 1 golpe - 58 cm de penetração Investigação do Subsolo MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO INTRUSIVA c) Sondagem à percussão Resistência à Penetração (SPT) - Classificações: - Em função da resistência à penetração - Compacidade: areia, ou silte arenoso - Consistência: argila, silte argiloso - NBR 6484: Sondagens de simples reconhecimento com SPT – Método de ensaio - NBR 7250: Identificação e descrição de amostras de solos obtidas em sondagens de simples reconhecimento dos solos Investigação do Subsolo MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO INTRUSIVA c) Sondagem à percussão Resistência à Penetração (SPT) - Apresentação dos resultados - Os resultados são apresentados em Perfis do Subsolo; - Descrições de cada solo - Cotas correspondentes - Nível de água, Pressão; Data (posição em diferentes épocas) - Valores de SPT Investigação do Subsolo PDF do relatório de sondagem... MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO INTRUSIVA d) Trados mecânicos - Motorizados - Pressão descendente: hidráulica, mecânica ou pelo próprio peso. - Tipos: helicoidal (de hélice) e caçamba - Diâmetros: - Helicoidal: 75 e 300 mm - Caçamba: 300 mm a 2 m Investigação do Subsolo MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO INTRUSIVA d) Trados mecânicos - Trados de hélice curta: comprimento limitado, cortadores abaixo, unido a uma haste de aço (barra kelly) - Penetrado até encher de solo, içado a superfície, solo é ejetado por giro - Trados de hélice contínua: hélice que ocupa todo seu comprimento, solo se eleva até a superfície ao longo da hélice (evita necessidade de elevar o trado) - Furo anvança comprimentos adicionais são inseridos ao trado - Profundidades de até 50 m; porém: mistura de estratos diferentes na elevação do solo Investigação do Subsolo Knappett e Craig (2014) Trado de hélice curta Trado de hélice contínua MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO INTRUSIVA e) Trados manuais e portáteis - Profundidades de até 5 m (hastes de extensão) - Girado e pressionado para baixo por manivela em T - Tipos: Iwan (D de até 200 mm) e helicoidal (D até 50 mm) - Retirado em intervalos frequentes para remoção do solo - Utilizado na maioria dos tipos de solos Investigação do Subsolo MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO INTRUSIVA f) Perfuração com circulação de água - Água bombeada por série de hastes de perfuração ocas e injetada por pressão em uma ponteira na forma de talhadeira ou cinzel - Solo é levado até a superfície pela água - Equipamento: torre de elevação (tripé) + unidade de força + guincho + bomba d’água + cabo de aço + roldana + hastes de perfuração - Utilizado na maioria dos tipos de solos; porém se houver cascalho grosso ou superior progresso se torna lento - Identificação do tipo de solo prejudicada pela quebra das partículas e da mistura de material - Vantagem: solo abaixo do furo permanece indeformado (não perturbado) Investigação do Subsolo AMOSTRAGEM - Feito o furo de sondagem retirar amostras para ensaios em laboratório - Divididas em duas categorias: indeformadas e deformadas - Indeformadas (não perturbadas): ensaios de resistência ao cisalhamento e adensamento - Visam preservar a estrutura in situ e teor de umidade - Retira-se o tubo de sondagem e coloca-se um tubo amostrador - A partir daí proceder como nos ensaios para determinação de índices físicos Investigação do Subsolo AMOSTRAGEM - Deformadas (perturbadas): classificação do solo, ensaios de compactação - Mesma distribuição de partículas, porém com estrutura alterada ou danificada, teor de umidade pode ser diferente - Devem ser retiradas em todo local com mudança de estrato - Etiquetadas e identificadas (nome do projeto, data, posição, número do furo, profundidade, método de amostragem - Cuidado na manipulação, transporte e armazenamento (em especial das indeformadas) Investigação do Subsolo AMOSTRAGEM - Qual o método deve ser seguido?? - Depende do ensaio a ser realizado... Deve estar relacionado com a qualidade da amostra exigida de acordo com a tabela a seguir. - Classe 1: mais útil e de maior qualidade - Classe 5: utilizada apenas para identificação visual e tátil - Classes 1 e 2: indeformadas - Classes 3, 4 e 5: deformadas Investigação do Subsolo Propriedade do solo Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 4 Classe 5 Sequência de camadas X X X X X Limites dos estratos X X X X Distribuição granulométrica (tamanho das partículas) X X X X Limites de Atterberg, conteúdo orgânico X X X X Teor de umidade X X X Compacidade (relativa), porosidade X X Permeabilidade X X Compressibilidade, resistência ao cisalhamento X Tabela 2. Qualidade da amostra em relação ao uso final (de acordo com o EC7-2:2007) (Knappett e Craig, 2014) PERFIL DE SONDAGEM - Depois de concluído a investigação e obtidos os resultados dos ensaios laboratoriais condições do terreno obtidas são resumidas na forma de um perfil de sondagem Investigação do Subsolo Cabeçalhos - Identificação detalhada do local, cliente e projeto - Método de investigação - Detalhes do equipamento - Posição e nível do terreno - Diâmetro do furo Perfil - Descrição detalhada dos estratos - Níveis e limites de cada estrato - Tipos de solos e rocha apresentados com uma legenda (símbolos-padrão) - Profundidades - Valores N (SPT) - Profundidade do lençol Descrição do solo - Amostras deformadas: - Distribuição granulométrica - Plasticidade - Cor, forma e composição das partículas Descrição do solo - Amostras indeformadas: - Características estruturais - Grau de compacidade (areias) e consistência (argilas) Resumo A investigação do terreno por meio de métodos intrusivos ou geofísicos pode ser empregada para determinar o local, a extensão e a identificação dos depósitos no interior do solo; Furos de sondagem e poços de inspeção são essenciais para confirmação visual dos materiais no interior do solo e para obtenção de amostras para ensaios de laboratório; A qualidade (e o custo) da amostragem dependerá das propriedades/características geotécnicas exigidas pelos ensaios em laboratório com tais amostras Prática 1 Parte Prática (grupos) Resolução da Lista de Exercícios 1 Prática 2 Parte Prática (individual) Pesquisa métodos de investigação de subsolo Escolher um tema dentre os listados abaixo Elaboração de relatório prático, se possível apresentar um exemplo didático (artigos, livros, etc...) 1. Sondagem rotativa 2. Ensaio de Penetração de cone (CPT) 3. Métodos geofísicos 3.1 Refração sísmica 3.2 Análise espectral das ondas superficiais (SASW) 3.3 Método da resestividade elétrica
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