Resposta da areia ao carregamento uniaxial

A resposta de uma areia ao carregamento uniaxial é apresenta numa relação convencional entre

o índice de vazios ( ) e a tensão efetiva vertical ( ′ ), num gráfico semi-logarítmico − log % L _{& (Coop e Lee, 1993; Hyodo et al., 2002; McDowell, 2002; Wu et al., 2016). Esta}

relação é preferível face a duas escalas logarítmicas de log% & − log % L &, porque a elevados níveis de tensão a linha de compressão deixa de ser linear e torna-se convexa (Pestana e Whittle, 1995).

Figura 2.15 - Resultados do ensaio de compressão unidimensional com recurso ao edométro para areia (Coop e Lee, 1993).

Na Figura 2.15, é apresentado o gráfico do comportamento de uma areia carregada unidimensionalmente com recurso ao edómetro, numa escala − log % L & para diversos índices de vazios (Coop e Lee, 1993). A areia nesta escala semi-logarítmica tem duas fases de comportamento diferentes, inicialmente é uma linha quase reta e, posteriormente, a níveis de tensão elevados passa a ser linear, sendo estas linhas separadas por um ponto de curvatura máxima. (Been et al., 1991). A Figura 2.15 ilustra claramente que, ao contrário das argilas, as areias não apresentam uma única linha de compressão virgem (LCV), mas sim uma infinidade de linhas (Jefferies e Been, 2006).

Na relação − log % L &, na linha quase reta o esqueleto da areia apresenta uma resposta rígida, a mudança de volume é produzida pela densificação da amostra devido ao rearranjo das partículas e de pequenas quebras dos seus contornos (Coop et al., 2004).

O ponto de curvatura máximo que separa as duas linhas de compressão com declives diferentes na escala − log % L & é denominado de ponto de cedência (Altuhafi e Coop, 2011). Depois de atingido o ponto de cedência, a compressibilidade da amostra aumenta e o seu volume diminui acentuadamente com o aumento da quebra das partículas. (Nakata et al., 2001b). No gráfico _{− log %} L _{&, a segunda linha de compressão uniaxial em areias é linear. Uma vez} atingido o ponto de cedência, a curva de compressão muda o seu declive devido à maior quantidade de partículas quebradas que aumenta linearmente com a tensão aplicada (Hagerty et al., 1993; McDowell et al., 1996; Uygar e Doven, 2006). O mecanismo e a quantificação da quebra de partículas são apresentados na secção 2.4.

Na análise da Figura 2.15 resulta que, independentemente do estado inicial da areia, todas as linhas quase retas convergem para uma única linha linear a elevados níveis de tensão (Coop e Lee, 1993; McDowell e Bolton, 1998; Pestana e Whittle, 1995; Vilhar et al, 2013), que é o limite da curva de compressão unidimensional, denominada por vários autores, na literatura inglesa, de normal compression line (NCL) (Pestana e Whittle, 1995; Lade et al., 1996; Coop, 2005). Atualmente, com a adoção do conceito de múltiplas LCV, como sugerido por Jefferies e Been (2006), não faz sentido designar a linha de convergência de NCL (literatura inglesa). Adicionalmente, esta nomenclatura deve refletir um comportamento intrínseco do solo, condicionante que não se verifica a grandes deformações devido à quebra de partículas e, consequentemente, alteração do próprio solo.

A resposta da curva de compressão da areia durante o carregamento uniaxial pode ser influenciada por vários fatores (Pestana e Whittle, 1995; Uygar e Doven, 2006):

− propriedades físicas da areia;

− densidade relativa;

− método de preparação da amostra;

− saturação da amostra.

As propriedades físicas das areias influenciam o seu comportamento de compressão uniaxial. Partículas de menor tamanho têm uma tensão de cedência maior na curva de compressão, e partículas de dimensões superiores têm uma tensão de cedência inferior (McDowell e Bolton, 1998; Nakata et al., 2001b); McDowell, 2002; Vilhar et al., 2013). A influência da composição mineralógica pode ser notada pela quantidade de quartzo, sendo que a tensão de cedência aumenta com o aumento da quantidade de quartzo. (Nakata et al., 2001b). Relativamente à classificação granulométrica do solo, uma areia uniforme tem uma tensão de cedência inferior a uma areia bem graduada. Este facto pode ser observado na Figura 2.16, sendo que a tensão de cedência é 14MPa para uma areia uniforme, e 22MPa para uma areia bem graduada (Nakata et al., 2001a).

Figura 2.16 - Gráfico da compressão unidimensional de uma areia uniforme e de uma areia bem graduada (adaptada de Nakata et al. (2001a)).

A densidade relativa é o principal fator que influência a resposta da linha de carregamento uniaxial das areias. Amostras mais soltas têm menos contactos entre as partículas, uma tensão de cedência menor e uma maior curvatura da linha de compressão virgem (Hagerty et al., 1993; Pestana e Whittle, 1995). O caminho até atingir a linha de convergência é dependente da densidade relativa inicial, a tensão de cedência aumenta com a diminuição da densidade relativa, mas todas as linhas convergem para uma única linha a elevadas tensões (Coop e Lee, 1993; Shipton e Coop, 2012).

No comportamento à compressão, a influência dos métodos de preparação da amostra é menos significativa que a densidade relativa. Nocilla et al. (2006) prepararam amostras secas, húmidas e saturadas por compactação, concluindo que estes processos de preparação de amostra têm pouca influência no comportamento de areias sob carregamento uniaxial. Estes métodos são diferentes dos métodos de preparação utilizados no presente estudo.

A resposta da areia sob carregamento uniaxial é ainda influenciada pelo estado seco ou saturado em que se encontra, sendo a areia saturada mais compressível que a areia no estado seco (Miura e Yamanouchi, 1975). Na Figura 2.17a) e Figura 2.17b) são apresentados dois gráficos com areias ensaiadas em compressão unidimensional num estado seco e num estado saturado. A baixas tensões, a areia saturada apresenta um comportamento mais rígido que a areia no estado seco, tendo uma menor deformação devido à presença de água (Ham et al., 2010; Wils et al., 2015). Enquanto que a elevados níveis de tensão, a areia saturada é mais compressível que a areia seca, tendo por isso uma maior deformação depois do ponto de cedência originando amostras com deformações superiores (Wils et al., 2015).

a) b)

Figura 2.17 - Compressão unidimensional (adaptada de Uygar e Doven (2006)): a) areia no estado seco; b) areia no estado saturado.