FATORES QUE INFLUENCIAM NO COMPORTAMENTO DE AREIAS

O comportamento de areias pode variar muito conforme as condições a que as mesmas estão sujeitas e de acordo com as suas próprias características. Nesse sentido, muitos fatores podem vir a influenciar nos seus parâmetros de resistência e permeabilidade. Dentre esses fatores, os principais são:

• granulometria • forma dos grãos

• rugosidade de superfície • resistência dos grãos • estrutura

• tipo de mineral • dispersão de finos • porosidade

• tensão confinante

• tensão principal intermediária • trajetória de tensões

• velocidade (taxa) de carregamento.

Em termos de granulometria, uma areia bem graduada, com uma melhor distribuição dos tamanhos de partículas, apresenta um melhor entrosamento dos grãos. Por essa razão, considerando-se esforços compatíveis comparáveis, essa forma granulométrica apresenta um

menor índice de vazios e, consequentemente, um maior ângulo de atrito e um menor coeficiente de permeabilidade. Além disso, esse tipo de areia sofre menor redução no valor de φ com o aumento da tensão confinante (Lambe & Whitman, 1979). Mantendo-se o coeficiente de uniformidade e a mineralogia constantes, o tamanho dos grãos pouco influencia no ângulo de atrito. Quanto à permeabilidade, essa apresenta variações significativas com o tamanho dos grãos e é extremamente sensível à quantidade, características e distribuição das frações de finos (Cedergren, 1977).

Considerando-se o formato dos grãos, as areias constituídas por grãos arredondados mostram uma redução sensível nos ângulos de atrito quando comparadas às areias com grãos angulares. Isso se deve ao menor atrito entre as partículas, conseqüência de uma menor rugosidade superficial (Ratton, 1993).

Quanto à resistência dos grãos, é conhecido que o esmagamento das partículas provoca uma curvatura na envoltória de resistência. No entanto, esse esmagamento ocorre a maiores tensões que as tensões usuais em Mecânica dos Solos. Dessa forma, pode-se considerar que a resistência dos grãos exerce pouca influência no comportamento das areias (Lambe & Whitman, 1979).

Em relação à estrutura, o comportamento das areias, para um mesmo índice de vazios pode se mostrar bastante distinto conforme o arranjo dos grãos. De uma forma geral, um aumento no grau de imbricamento entre as partículas provoca também um aumento no ângulo de atrito da areia. Quanto à permeabilidade, o arranjo dos grãos pode influenciar, principalmente, quando forma estratificações, as quais, por sua vez, geram anisotropia no coeficiente de permeabilidade nas direções horizontal e vertical (Cedergren, 1977).

O tipo de mineral, por sua vez, exerce pouca influência sobre a resistência das areias, a menos que esta contenha mica. Uma areia micácea, por apresentar um alto índice de vazios, possui um baixo imbricamento e, em conseqüência, um baixo ângulo de atrito. De uma forma geral, minerais mais resistentes ao esmagamento apresentam maiores ângulo de atrito (Lambe & Whitman, 1979).

O efeito da dispersão de finos foi estudado por Carry et al. em 1943, citado por Cedergren (1977), que realizou estudos que mostraram que pequenas variações no teor de umidade em solos granulares que contêm uma certa fração de finos, provocam uma alteração muito significativa no valor do coeficiente de permeabilidade.

A porosidade é um fator que também exerce uma importante influência no comportamento das areias, tanto em termos de resistência como de permeabilidade. De uma

forma geral, o ângulo de atrito aumenta com o diminuição da porosidade e o coeficiente de permeabilidade, por sua vez, torna-se menor. O decrescimento do índice de vazios inicial resulta em um aumento da tensão desviatória na ruptura. Além disso, quanto menor for o índice de vazios inicial maior será a queda de resistência após a ruptura e maior será o efeito da dilatância (Ratton, 1993).

Considerando as tensões às quais o material fica submetido, tanto a tensão confinante como a tensão principal intermediária exercem importante influência sobre os parâmetros de resistência de areias. Em se tratando da tensão confinante, o ângulo de atrito de pico de solos granulares geralmente sofre um decréscimo com o aumento da tensão confinante. Esse efeito é mais significativo em areias densas, sendo φ’ pouco afetado em areias fofas. A redução no valor de φ’ é explicada por mudanças no comportamento dilatante das areias, uma vez que o material inicialmente denso apresenta uma redução gradual na sua tendência de expansão, podendo até mesmo se contrair sob altas tensões confinantes. Por outro lado, o acréscimo na tensão confinante produz um aumento na tensão desviatória de ruptura (Ladd et al., 1977).

Quanto à tensão principal intermediária, Lade em 1972 citado por Ratton (1993), observou que o aumento da tensão intermediária provoca um aumento na tensão desviatória de ruptura e um aumento na perda de resistência pós pico, não afetando, no entanto, de forma significativa, a condição última. Observou-se também que os corpos de prova dilatantes se tornaram menos expansivos e os corpos de prova compressivos, se tornaram mais compressíveis com o aumento da tensão intermediária. Com relação ao ensaio de cisalhamento direto, Rowe em 1969, citado em Ladd et al. (1977), observou que esse ensaio subestima o valor de φ’, sendo mais conservativo. Espósito & Assis (1997) apresentam resultados de ensaios de cisalhamento direto e ensaios triaxiais do tipo CDsat (adensado e drenado com saturação) realizados em um rejeito de mineração de granulometria arenosa. Os resultados obtidos apresentam valores bastante aproximados, para uma mesma porosidade, do ângulo de atrito no ensaio de cisalhamento e do ângulo de atrito obtido em ensaios triaxiais do tipo CDsat. No entanto, os valores encontrados no ensaio de cisalhamento direto são um pouco menores que aqueles encontrados no ensaio triaxial, confirmando o caráter conservativo do ensaio de cisalhamento direto. Comparando-se, por outro lado, os ensaios de deformação plana e triaxial convencional, o primeiro tende a apresentar ângulos de atrito de pico maiores que o segundo, principalmente para areias densas (Ladd et al., 1977).

Outros fatores que podem influenciar o comportamento de areias quando cisalhadas são a trajetória de tensões e a velocidade de carregamento do solo. Sobre a influência da trajetória

de tensões, Medeiros e Evgin em 1992 citados por Ratton (1993), observam que o ângulo de atrito não é afetado significativamente pela trajetória de tensões. Quanto à razão de carregamento, Lambe & Whitman (1979) citam que o acréscimo na tgφ’ com o aumento da razão de carregamento é da ordem de 10%, significando uma variação de aproximadamente de 1 a 2% no ângulo de atrito. Cita-se ainda que, talvez, o efeito seja maior em areias cisalhadas sob deformação plana ou com tensões confinantes superiores a 700 kPa.

Todos esses fatores citados anteriormente influenciam no comportamento de areias por estarem relacionados com as próprias características ou pelas condições a que o material se encontra submetido. No entanto, o comportamento de areias pode variar também de acordo com a forma que a mesma foi depositada.

Em ensaios de laboratório, variações no comportamento das areias resultam de diferentes métodos de preparação de amostras, visto que mudanças no método de deposição afetam sua estrutura e, consequentemente, suas características de deformação – resistência. Toki e Kitago em 1974, citados em Laad et al. (1977), concluíram que pequenas vibrações podem causar grandes incrementos nos módulos das areias. Em particular, amostras sujeitas à vibração são mais compactas que aquelas tomadas por simples pluviação.

Outra característica decorrente da deposição é anisotropia do material. Quando solos granulares são depositados sob condições anisotrópicas, ocorre uma orientação preferencial nos contatos das partículas. Essa anisotropia estrutural causa características de deformação - resistência também anisotrópicas. Se um cisalhamento é iniciado sob condições de tensões anisotrópicas, induz-se uma tensão anisotrópica devido à rotação do plano principal e da variação do incremento de tensão requerido para produzir uma dada orientação da superfície de ruptura. Assim, maiores parâmetros de resistência ocorrem para carregamentos na mesma direção de deposição e menores valores de parâmetros de resistência são obtidos para carregamentos na direção perpendicular à direção de deposição. Esses efeitos são mais pronunciados nas areias fofas do que nas areias densas.

4 ENSAIOS DE LABORATÓRIO – RESULTADOS DE ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO E RESISTÊNCIA