A resistência ao cisalhamento dos solos granulares é altamente influenciada pela densidade e confinamento. Sob confinamento elevado, os solos tendem a apresentar uma ruptura tipo plástica, característica de solos fofos, que se contraem ao serem cisalhados. Sob baixo confinamento, os solos compactos dilatam-se ou tendem a dilatar-se. Para dilatar, precisam realizar um trabalho adicional em relação ao esforço normal aplicado. A Figura 2.13 ilustra o modelo do dente de serra para a dilatância dos solos.
Figura 2.13- Modelo do dente de serra para a dilatância (Houlsby , 1991).
Considerando o deslizamento em um plano rugoso que tem ângulo de atrito de interface fvc, representado pelos dentes de serra que fazem um ângulo y com a horizontal,
pode-se dizer que a relação entre as tensões normais e cisalhantes é dada por:
) tan( ' tanf f y s t = = + vc n (2.12)
sendo f’ o ângulo de atrito aparente da interface, dado por (fvc + y) e fvc o ângulo de
atrito da interface na situação de cisalhamento a volume constante. Assim, verifica-se que o ângulo de atrito aparente de interface é maior que o ângulo de atrito a volume constante.
Solos coesivos compactos também dilatam a baixas e médias tensões de confinamento. Se a dilatância é restringida, a tensão de confinamento ao longo da interface é incrementada até um estado no qual ocorre ruptura sem variação de volume chamado de estado crítico (Farrag et. al., 1993).
Da mesma maneira, quando as inclusões em um maciço de solo denso são solicitadas ao arrancamento, sob tensões de confinamento moderadas, o solo tende a dilatar-se à medida que os deslocamentos são mobilizados ao longo do reforço. Nessa situação, o solo envolvendo a interface solo–reforço pode ser impedido de se dilatar, de forma a se promover um aumento na tensão de confinamento. A magnitude da restrição à dilatância depende do tipo de teste (deformação controlada ou carga controlada), da densidade do solo, da espessura do solo e da tensão de confinamento. O resultado da dilatância impedida é um aumento na parcela de resistência por atrito e, consequentemente, na resistência total.
O efeito da dilatância impedida dos solos na interação solo–reforço sob condições de campo foi observado inicialmente por Guilloux et al., (1979) baseado em ensaios de arrancamento em inclusões metálicas inseridas em um aterro de areia. Alfaro et al., (1995) posteriormente propôs um modelo conceitual da interação solo–reforço baseado na dilatância impedida do solo. Neste modelo, a resistência total ao arrancamento de uma geogrelha inextensível está relacionada a um mecanismo de interação bidimensional combinado com um tridimensional. Este modelo conceitual do mecanismo de interação está ilustrado na Figura 2.14 e pode ser estendido para ensaios de arrancamento em elementos transversais de geogrelhas rígidas.
Uma série de ensaios de arrancamento foi realizada por Hayashi et. al., (1999) utilizando geogrelhas poliméricas rígidas inseridas em uma areia pedregulhosa. Foram mensuradas as tensões normais na interface solo–geogrelha utilizando células de tensão total de pequeno diâmetro. Com base nos testes eles mostraram que a dilatância impedida, para pequenas tensões confinantes, promovem um incremento da tensão normal na interface solo–geogrelha aumentando, desse modo, a resistência ao arrancamento do reforço.
Figura 2.14- Mecanismo de interação conceitual para elementos da geogrelhas. a) tensões cisalhantes e deformações em volta de um elemento de um reforço. b) distribuição da
tensão normal no elemento do reforço (Alfaro et al., 1995).
Teixeira e Bueno (1999) também realizaram ensaios de arrancamento em que foram mensuradas as tensões totais no solo próximo à geogrelhas. Verificou-se que, com os deslocamentos dos elementos transversais da geogrelha, as tensões normais no solo sofrem oscilações, assumindo valores máximos sobre os elementos transversais e mínimos no centro dos vazios. A Figura 2.15 ilustra os valores de tensão total obtidos em um ensaio, os valores na legenda indicam a distância das células de tensão total (CTT) ao ponto de aplicação da carga.
Um incremento da tensão de confinamento leva a um aumento da resistência passiva do solo nos elementos transversais e da resistência por atrito, consequentemente a resistência ao arrancamento da geogrelha cresce. A tendência do solo a se dilatar, entretanto, é reduzida.
Figura 2.15- Variações na tensão normal em função dos deslocamentos durante o ensaio de arrancamento (Teixeira e Bueno, 1999)
O efeito da tensão de confinamento na resistência atritiva de reforços tem sido demonstrado por uma série de autores (McGown et al., 1982; Farrag et al., 1993, etc.). Outros pesquisadores também mostram que a ação confinante do solo circundante afeta de forma significativa o comportamento do conjunto solo–geogrelha. Lopes e Ladeira (1996) afirmam que a resistência ao arrancamento aumenta continuamente com o aumento da tensão de confinamento, eles estudaram o coeficiente interação solo–reforço
f, dado por: f s tg 2× × × = A T f (2.13)
sendo T a força máxima de arrancamento, A a área da geogrelha inserida no solo, s a tensão normal na interface e f o ângulo de atrito interno do solo.
Estes autores encontraram valores de f variando entre 0,45 a 0,65, dependendo da tensão confinante aplicada, verificando, dessa forma, que o aumento na tensão normal não corresponde a um aumento proporcional na resistência ao arrancamento. Pode-se perceber que este parâmetro é muito simplificado e não considera uma série de outros fatores que interferem no mecanismo de resistência ao arrancamento de geogrelhas.
A geogrelha em si, no geral, é pouco compressível e, embora alguns tipos tenham a superfície estriada, os parâmetros de resistência de interface das áreas cheias são quase sempre menores do que os parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo. O que se observa, no entanto, é que o solo que ocupa as áreas vazias da geogrelha sofre uma forte ação de corte, em que se associam efeitos de fluxo plástico do solo cortado pelos elementos transversais da geogrelha e ações cisalhantes solo–solo e entre o solo e as áreas cheias da geogrelha. Nessas condições o solo pode dilatar-se de forma intensa. Schlosser & Elias (1978), realizando testes em aterros reforçados com tiras metálicas corrugadas, demonstram que, para pequenas alturas de aterro, o coeficiente de atrito aparente entre o solo e a inclusão apresenta valores muito elevados, devido ao aumento das tensões normais sobre as inclusões por efeito da dilatância impedida. Para profundidades de aterro maiores que 6 m, este efeito praticamente desaparece, fazendo com que o coeficiente de atrito aparente solo–inclusão apresente valores muito menores.
As medidas de dilatância registradas durante o arrancamento do reforço podem fornecer informações valiosas sobre o ganho de resistência cisalhante na interface quando a dilatância é impedida, sob condições de campo. Guilloux et al. (1979), indicam que a dilatância influencia sobremaneira o comportamento do maciço reforçado e ressalta que a simplicidade do monitoramento da dilatância no laboratório, em ensaios de arrancamento, é uma boa razão para que ela seja sempre medida.
A restrição e a magnitude do incremento de tensão confinante depende do tipo e da geometria da inclusão e das condições de contorno impostas. As dimensões das caixa de ensaios são geralmente arbitrárias. Entretanto, geralmente as caixas de arrancamento são projetadas com contornos fixos, que podem promover uma restrição na dilatância e um aumento da tensão de confinamento. Farrag et. al., 1993 afirma que, quando utilizando diferentes equipamentos de ensaio, mesmo quando os estados iniciais de ensaios são idênticos, diferentes comportamentos força vs. deslocamento podem ocorrer devido ao confinamento induzido pelas condições de contorno.