Considerações gerais sobre o ensaio de cisalhamento direto

Durante muitos anos o ensaio de cisalhamento direto foi muito utilizado para a avaliação da resistência dos solos. Na atualidade é realizado devido à sua fácil execução e ao baixo custo (Juarez & Rico, 1976). O ensaio é executado em uma caixa constituída de duas partes, uma primeira parte fixa que contém aproximadamente a metade da amostra, e uma segunda móvel que contém a metade restante. Duas pedras porosas, uma localizada na parte inferior, e outra na parte superior da amostra, permitem a drenagem livre de amostras saturadas. A parte superior móvel, tem um elemento no qual é possível a aplicação de uma carga horizontal no

plano de separação das duas peças, provocando desta forma, a ruptura do corpo de prova ao longo deste plano bem definido. Sobre a parte superior da caixa de cisalhamento, é possível a aplicação de carga vertical, proporcionando uma pressão normal no plano de ruptura, σn. Esta

pressão pode ser livremente definida pelo operador do equipamento (Juarez & Rico, 1976). A adição de extensômetros ao equipamento permite a medição de deslocamentos da amostra nas direções horizontal e vertical. Na Figura 4.8 é possível apreciar um esquema do equipamento de cisalhamento direto.

Amostra de Solo Pedra Porosa Caixa Inferior Fixa T N Extensômetros Caixa Superior móvel Amostra de Solo Pedra Porosa Caixa Inferior Fixa T

N

Extensômetros Caixa

Superior móvel

Figura 4.8 Equipamento de cisalhamento direto.

Existem duas formas de realização dos ensaios de cisalhamento direto. A primeira consiste em definir e aplicar a carga vertical para atingir a pressão normal no plano de ruptura. Após este procedimento, continua-se a induzir na amostra uma deformação controlada, definida por uma taxa de deformação fixada pelo operador do equipamento (velocidade de cisalhamento). Durante o processo de deformação da amostra é medida a força tangencial T, aplicada ao corpo de prova. Este procedimento é conhecido como Ensaio de Cisalhamento a Deformação Controlada. Já a segunda forma consiste em alcançar a pressão normal no plano de ruptura, e posteriormente, procede-se induzindo no corpo de prova incrementos da força tangencial T, medindo os deslocamentos horizontais e verticais geradas pela aplicação desta força tangencial. Este procedimento recebe o nome de Ensaio de Cisalhamento Direto a Tensão Controlada.

Com os resultados obtidos do ensaio é possível a construção de curvas de tensão tangencial (τ) versus deslocamentos horizontais (δ), para uma determinada tensão normal (σn). A partir

destas curvas é possível definir os critérios de ruptura do material, e que tipo de ruptura apresenta, ou seja, se é frágil ou dúctil, como foi discutido no Capítulo 3. Definida a tensão de ruptura do material (τ) para uma determinada tensão normal (σn), e executando o ensaio

várias vezes sob as mesmas condições, mas com diferentes valores de tensão normal, é possível obter a envoltória de ruptura do material. Da envoltória de ruptura é possível a determinação dos parâmetros de resistência como coesão (c) e ângulo de atrito (φ) do material. A coesão é definida como a intercessão da reta que melhor se ajusta à envoltória de ruptura com o eixo da tensão cisalhante (τ), e o ângulo de atrito é representado pela inclinação desta reta. Em função da magnitude das tensões normais, pode-se não obter envoltórias de ruptura retilíneas. Neste caso, o ângulo de atrito e o intercepto de coesão variam com o incremento da tensão normal (σn).

Este processo de determinação da resistência ao cisalhamento dos solos apresenta algumas desvantagens. A primeira delas é o fato de que o corpo de prova é condicionado a romper em um plano de ruptura pré-determinado, desconsiderando a presença de estruturas herdadas ou planos de fraqueza. Em segundo lugar, a distribuição das tensões no plano de ruptura não é completamente uniforme, o conjunto de tensões é complexo, e existem rotações das tensões principais à medida que se incrementa a tensão de cisalhamento. Também não se pode controlar a drenagem durante o ensaio, a poro pressão não pode ser medida, e as deformações aplicadas à amostra são limitadas pelas condições do equipamento.

O ensaio também apresenta grandes vantagens como ser de fácil execução, os princípios teóricos básicos serem de fácil entendimento, e a moldagem dos corpos de prova ser de rápida execução. Outras vantagens são que podem ser elaborados equipamentos de maiores dimensões a um custo relativamente menor que para outro tipo de ensaios e que as propriedades medidas como ângulo de atrito e coesão podem ser considerados de boa representatividade. O equipamento pode ser utilizado para ensaios drenados e para a medida da resistência ao cisalhamento residual, pelo processo de múltipla reversão da direção de cisalhamento.

Devido a que uma das desvantagens do ensaio de cisalhamento direto é o fato de que a rotação das tensões principais não pode ser controlada, na Figura 4.9, se apresenta o círculo de ruptura, com os esforços e as direções das tensões principais no ensaio. Nesta figura foi

considerado que a linha de ruptura passa pela origem de coordenadas e coincide com os esforços (σn, τ), que é chamado de ponto D. Traça-se o círculo tangente à linha de ruptura no

ponto D, e que tem centro sobre o eixo σ. O pólo de planos é localizado traçando uma linha paralela ao plano de ruptura, que passa pelo ponto D. Unindo-se o pólo P com os pontos de intercessão do círculo com o eixo σ, A e B, se tem a direção dos planos principais, que é detalhada na Figura 4.9a (Juarez & Rico, 1976).

σ1 σ3 σn τ φ R T τ σ Envoltória de Ruptura A B D P C O σ3 σn σ1 φ σ1 σ3 σn τ φ R T σ1 σ3 σn τ φ σ1 σ3 σn τ φ R T T T τ σ Envoltória de Ruptura A B D P C O σ3 σn σ1 φ τ σ Envoltória de Ruptura A B D P C O σ3 σn σ1 φ (a) (b)

Figura 4.9 Rotação das tensões principais no ensaio de cisalhamento direto: (a) Direção das tensões principais; (b) Representação das tensões no diagrama de Mhor

(modificado - Juarez & Rico, 1976).

Na realização da presente pesquisa foi escolhido o ensaio de cisalhamento direto para a avaliação dos parâmetros de resistência, isto basicamente devido à sua rapidez de execução, à facilidade na moldagem dos corpos de prova, e também porque os ensaios, realizados por Espósito & Assis (1997) em rejeitos da pilha do Xingu, mostram que os resultados obtidos em ensaios de cisalhamento direto e ensaios triaxiais não apresentam uma diferença significativa na determinação dos parâmetros de resistência do rejeito.

Para a avaliação da mudança dos parâmetros de resistência com variações no teor de ferro e em diferentes densidades, foram moldadas amostras sob várias porosidades para os diferentes materiais de concentrado de quartzo e de ferro (Quartzo 97% e Quartzo 14%), assim como para os materiais obtidos da mistura destes dois (Quartzo 40%, Quartzo 60% e Quartzo 80%). Estas amostras foram ensaiadas a diferentes tensões normais com a finalidade de observar também a influência do σn na variação dos parâmetros de resistência. Os valores de tensões

normais foram 25 kPa, 50 kPa, 125 kPa, 250 kPa e 500 kPa. Este último valor de tensão normal foi limitado pela capacidade da prensa de cisalhamento. No entanto, o objetivo da pesquisa não foi afetado. Em resumo, são cinco materiais diferentes (teor de ferro), cada um moldado em função de diferentes porosidades e submetidos a cinco valores de tensões normais resultando em 100 ensaios de cisalhamento direto.

A escolha da porosidade para a realização dos ensaios foi feita com a realização de ensaios de determinação do índice de vazios máximo e mínimo dos diferentes materiais, baseados nas normas brasileiras MB-3388 (ABNT, 1991) e MB-3324 (ABNT, 1990).