Avaliação da influência da sucção na resistência não drenada de um solo residual compactado utilizando o ensaio de palheta de laboratório
São Paulo
Avaliação da influência da sucção na resistência não drenada de um solo residual compactado utilizando o ensaio de palheta de laboratório
Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Mestre em Engenharia
Orientador: Prof. Dr. Fernando Antônio Medeiros Marinho
São Paulo
Avaliação da influência da sucção na resistência não drenada de um solo residual compactado utilizando o ensaio de palheta de laboratório
Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Mestre em Engenharia
Área de Concentração: Engenharia Geotécnica
Orientador: Prof. Dr. Fernando Antônio Medeiros Marinho
São Paulo
São Paulo, 18 de dezembro de 2014.
Assinatura do autor ____________________________
Assinatura do orientador _______________________
FICHA CATALOGRÁFICA
Chura Vilcanqui, Norman Eddy
Avaliação da influência da sucção na resistência não dre- nada de um solo residual compactado utilizando o ensaio de palheta de laboratório / N.E. Chura Vilcanqui. -- versão corr. -- São Paulo, 2014.
108 p.
Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia de Estruturas e Geotécnica.
A Deus por todas as bênçãos recebidas e pela força transmitida a cada dia.
Aos meus amados pais Emeterio e Juana, por tudo o que eu sou nesta vida; e especialmente pelo constante apoio nesta etapa importante.
Ao meu querido irmão Omar Alexander, pela confiança, apoio continuo e pelas palavras de animo. Aos meus irmãos: Wilmer, Gladys, Lenin e Guido, e meu cunhado Sandro, pelas palavras de apoio e pela força que me deram.
A Tsumico pelo carinho, amor e compreensão dados até hoje. Obrigado, meu amor.
Ao meu estimado orientador, Prof. Dr. Fernando Antônio Medeiros Marinho, pela amizade, confiança, ensino constante e dedicação no trabalho. Muito Obrigado, Professor.
Estendo meus agradecimento aos professores do PEF da Escola Politécnica, pelos valiosos conhecimentos transmitidos.
Aos técnicos do laboratório Joaquim e Antonio, pela amizade, apoio e ensino na parte experimental.
Aos meus colegas do mestrado: Brian, Carla, Giuliano, Gonzalo, Julio, Leticia, Mariana, Patrícia, Pedro, Veroska, William e aos alunos da iniciação cientifica: Daniel, Juliana e Leonardo, que fizeram que minha permanência no Brasil fosse muito agradável.
Ao meu amigo mestrando de física Carlos, pela amizade sincera. Por fim, a todas as pessoas que acreditaram em mim e me deram muita força a alcançar esta meta.
A presente pesquisa apresenta resultados de uma série de ensaios de palheta de laboratório, com a finalidade de determinar a resistência não drenada de um solo residual compactado. Durante o ensaio foram realizadas medições continuas de sucção com uso de um tensiômetro de alta capacidade, disposto na base dos corpos de prova, sendo este procedimento inédito. O objetivo secundário do estudo é a avaliação de aspectos relacionados com a variação da resistência e sucção quando a distância do tensiômetro de alta capacidade é modificada com relação à superfície inferior do plano de ruptura pré-estabelecido. Para a realização destes experimentos foram modificados e adaptados equipamentos de laboratório. O estudo foi realizado com um solo residual de gnaisse compactado obtido do antigo campo experimental da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. O estudo constata que o valor medido da resistência não drenada é afetado pela proximidade do tensiômetro a palheta.
This research presents results of a series of mini-vane tests in order to determine the undrained shear strength of a residual compacted soil. During the tests and for the first time, continuous measurement of suction has been made using a high capacity tensiometer placed at the base of the specimen. The secondary aim of this study is to evaluate aspects related to resistance and suction variation when the distance of the high capacity tensiometer is modified in relation to the lower pre-set failure surface. For this reason laboratory equipments were modified and adapted in order to perform the study. The tests were performed with a compacted residual soil of gneiss obtained from the experimental site of the Polytechnical School of the University of São Paulo. The study showed that the undrained shear strength is affected when the vane are closer to the tensiometer.
Figura 2.1 - Curvas de compactação obtidas com energia normal e modificada com dados fictícios. (Modificado de Leroueil; Hight, 2013) ... 19
Figura 2.2 - Efeito de compactação na estrutura do solo. (Modificado de Lambe, 1958) ... 20
Figura 2.3 - Relação teor de umidade-sucção para solos compactados. (Modificado de Ridley; Pérez-Romero, 1998) ... 21
Figura 2.4 - Curvas de compactação com linhas de iso-sucção. (Modificado de Marinho; Stuermer, 2000) ... 22
Figura 2.5 - Curva de compactação e variação da sucção com relação à variação do teor de umidade (Fleureau et al., 2002) ... 23
Figura 2.6 - Modelo qualitativo para solos compactados. (Modificado de Leroueil; Hight, 2013) ... 24
Figura 2.7 - (a) Curva de compactação Proctor. (b) Relação tensão-deformação para solos compactados de caulinita no ensaio triaxial UU. (Modificado de Seed; Chan, 1959) ... 25
Figura 2.8 - (a) Correlação entre o teor de umidade ótimo e o limite de plasticidade, (b) Correlação entre a sucção no teor de umidade ótimo. (Modificado de Marinho; Oliveira, 2012) ... 27
Figura 2.9 - Teor de umidade e densidade seca de amostras pesquisadas com varias amostras. (Modificado de Marinho; Oliveira, 2012) ... 30
Figura 2.10 - Condições iniciais de compactação das amostras e condições dos ensaios. (Modificado de Marinho; Oliveira, 2012) ... 30
Figura 2.11 - Resistência não drenada versus (w-wot)/Ip e a sucção inicial.
(Modificado de Marinho; Oliveira, 2012) ... 31
Figura 2.12 - Resistência não drenada versus (w-wot)/Ip para o solo residual de
gnaisse. (Modificado de Marinho; Oliveira, 2012) ... 32
Figura 2.13 - Relação: resistência não drenada - (w-wot)/Ip. (Leroueil; Hight, 2013) . 33
Figura 2.14 - (a) Relação entre a resistência de compressão não confinada e o índice de liquidez. ... 35
Figura 2.15 - Comparação de várias pequenas medidas de resistência em um solo residual de xisto com a resistência-da-massa calculada a partir da falha de um deposito de resíduos de rocha. (Modificado de Blight, 1969) ... 36
Figura 3.4 - Detalhes do ensaio de palheta com medição de sucção utilizando o
TAC. ... 44
Figura 3.5 - Detalhes da introdução do TAC no ensaio de palheta de laboratório. ... 44
Figura 3.6 - Detalhes da distância alinhada do TAC à superfície inferior de ruptura da palheta. ... 45
Figura 3.7 - Detalhes dos furos feitos no anel de PVC utilizado no ensaio de palheta de laboratório. ... 45
Figura 4.1 - Local onde foi coletada a amostra de solo utilizada nesta pesquisa. ... 47
Figura 4.2 - Curva de Distribuição Granulométrica do solo residual de gnaisse. ... 48
Figura 4.3 - Classificação do solo residual de gnaisse na carta de plasticidade. ... 49
Figura 4.4 - Curva de compactação Proctor do solo residual de gnaisse. ... 50
Figura 4.5 - Curva de retenção de água. ... 51
Figura 5.1 - Resistência não drenada versus rotação da palheta para o grupo de amostras A. ... 59
Figura 5.2 - Resistência não drenada versus rotação da palheta para o grupo de amostras B. ... 60
Figura 5.3 - Resistência não drenada versus rotação da palheta para o grupo de amostras MV1. ... 62
Figura 5.4 - Resistência não drenada versus rotação da palheta para o grupo de amostras MV2. ... 63
Figura 5.5 - Medição da sucção para amostras A, compactadas com w=20,6% ... 69
Figura 5.6 - Medição da sucção para amostras A, compactadas com w=23,1% ... 70
Figura 5.7 - Medição da sucção para amostras A, compactadas com w=23,7% ... 71
Figura 5.8 - Medição da sucção para amostras A, compactadas com w=27,6% ... 71
Figura 5.9 - Medição da sucção para amostras A, compactadas com w=30,9% ... 72
Figura 5.10 - Medição da sucção para amostras A, compactadas com w=33,7% .... 73
Figura 5.11 - Medição da sucção para amostras B, compactadas com w=20,6% .... 73
Figura 5.15 - Medição da sucção para amostras B, compactadas com w=33,7% .... 76
Figura 5.16 - Medição da sucção para amostras MV1, compactadas com w=22%. . 77
Figura 5.17 - (a) Medição da sucção para amostras MV1, compactadas com w=24%. (b) Sucção corrigida pela media móvel. ... 78
Figura 5.18 - (a) Medição da sucção para amostras MV1, compactadas com w=26%. (b) Sucção corrigida pela media móvel. ... 79
Figura 5.19 - Medição da sucção para amostras MV1, compactadas com w=28%. . 80
Figura 5.20 - (a) Medição da sucção para amostras MV1, compactadas com w=30%. (b) Sucção corrigida pela media móvel. ... 81
Figura 5.21 - Medição da sucção para amostras MV2, compactadas com w=22%. . 82
Figura 5.22 - Medição da sucção para amostras MV2, compactadas com w=24% .. 83
Figura 5.23 - Medição da sucção para amostras MV2, compactadas com w=26%. . 84
Figura 5.24 - Medição da sucção para amostras MV2, compactadas com w=28%. . 84
Figura 5.25 - Medição da sucção para amostras MV2, compactadas com w=30%. . 85
Figura 6.1 - Resistência não drenada versus índice de liquidez. ... 89
Figura 6.2 - Resultados da resistência não drenada com respeito a distância do TAC à superfície inferior de ruptura da palheta para o grupo de amostras A. ... 90
Figura 6.3 - Resultados da resistência não drenada com respeito a distância do TAC à superfície inferior de ruptura da palheta para o grupo de amostras B. ... 91
Figura 6.4 - Resultados da resistência não drenada com respeito a distância do TAC à superfície inferior de ruptura da palheta para o grupo de amostras MV1. ... 92
Figura 6.5 - Resultados da resistência não drenada com respeito a distância do TAC à superfície inferior de ruptura da palheta para o grupo de amostras MV2. ... 93
Figura 6.6 - Sucção na ruptura em relação à distância do TAC à superfície inferior de ruptura da palheta para o grupo de amostras MV1. ... 95
Figura 6.7 - Sucção na ruptura em relação à distância do TAC à superfície inferior de ruptura da palheta para o grupo de amostras MV2. ... 96
Tabela 3.1 - Constante de deflexão das molas - Δ. ... 40
Tabela 3.2 - Constantes C das molas do equipamento de palheta de laboratório. ... 41
Tabela 4.1 - Resultados dos ensaios de caracterização. ... 49
Tabela 4.2 - Condição inicial de moldagem de amostras A. ... 54
Tabela 4.3 - Condição inicial de moldagem de amostras B. ... 55
Tabela 4.4 - Condição inicial de moldagem de amostras MV1... 56
Tabela 4.5 - Condição inicial de moldagem de amostras MV2... 57
Tabela 5.1 - Resistência não drenada na ruptura do grupo de amostras A. ... 61
Tabela 5.2 - Resistência não drenada na ruptura do grupo de amostras B. ... 61
Tabela 5.3 - Resistência não drenada na ruptura do grupo de amostras MV1. ... 63
Tabela 5.4 - Resistência não drenada na ruptura do grupo de amostras MV2. ... 64
Tabela 5.5 - Resistência não drenada na ruptura para o grupo de amostras A e B com distância do TAC à superfície inferior de ruptura da palheta de 3,40 mm ... 65
Tabela 5.6 - Resistência não drenada na ruptura para o grupo de amostras MV com distância do TAC à superfície inferior de ruptura da palheta de 3,40 mm ... 65
Tabela 5.7 - Resistência não drenada na ruptura para o grupo de amostras A e B com distância do TAC à superfície inferior de ruptura da palheta de 6,80 mm ... 66
Tabela 5.8 - Resistência não drenada na ruptura para o grupo de amostras MV com distância do TAC à superfície inferior de ruptura da palheta de 6,80 mm ... 66
Tabela 5.9 - Resistência não drenada na ruptura para o grupo de amostras MV com distância do TAC à superfície inferior de ruptura da palheta de 13,73 mm* ... 67
Tabela 5.10 - Resistência não drenada na ruptura para amostras MV com cravação lenta da palheta ... 68
Tabela 5.11 - Resultados da medição da sucção para amostras MV1. ... 86
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ... 8
LISTA DE TABELAS ... 12
SUMÁRIO ... 13
1 INTRODUÇÃO ... 15
1.1 RELEVÂNCIADAPESQUISA ... 15
1.2 OBJETIVOS ... 16
1.3 ORGANIZAÇÃODADISSERTAÇÃO ... 16
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 18
2.1 FUNDAMENTOSTEÓRICOSDOSSOLOSCOMPACTADOS ... 18
2.1.1 Aspecto físico dos solos compactados ... 18
2.1.2 Sucção em solos compactados ... 20
2.1.3 Mecânica dos solos compactados ... 23
2.2 RESISTÊNCIANÃODRENADADOSSOLOSNÃOSATURADOS ... 26
2.3 ENSAIODEPALHETAEMSOLOSNÃOSATURADOS ... 33
3 DESCRIÇÃO DOS EQUIPAMENTOS UTILIZADOS ... 38
3.1 ENSAIODEPALHETADELABORATÓRIO ... 38
3.1.1 Equipamento ... 38
3.1.1.1 Palheta ... 39
3.1.1.2 Mola ... 39
3.2 TENSIÔMETRODEALTACAPACIDADE ... 42
3.2.1 Introdução do TAC no ensaio de palheta de laboratório ... 43
4 CARACTERIZAÇÃO DO SOLO E DESCRIÇÃO DOS ENSAIOS ... 46
4.1 LOCALDEAMOSTRAGEM ... 46
4.2 COLETADAAMOSTRAEARMAZENAMENTO ... 46
4.3 ENSAIOSDECARACTERIZAÇÃO ... 47
4.4 DETERMINAÇÃODACURVADECOMPACTAÇÃO ... 49
4.5 CURVADERETENÇÃO ... 50
4.6.1 Moldagem dos corpos de prova ... 52
4.6.2 Procedimentos utilizados durante o ensaio ... 52
4.6.3 Definição dos pontos de estudo ... 53
5 APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS ... 58
5.1 RESISTÊNCIANÃODRENADA ... 58
5.1.1 Resistência não drenada para o grupo de amostras A e B ... 58
5.1.2 Resistência não drenada para o grupo de amostras MV ... 61
5.1.3 Resistência não drenada e distância do TAC à superfície inferior de ruptura da palheta ... 64
5.1.4 Resistência não drenada e cravação lenta da palheta ... 67
5.2 COMPORTAMENTODASUCÇÃO ... 68
5.2.1 Comportamento da sucção no grupo de amostras A e B ... 68
5.2.2 Comportamento da sucção no grupo de amostras MV ... 76
6 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 88
6.1 RESISTÊNCIANÃODRENADA ... 88
6.1.1 Resistência não drenada e índice de liquidez ... 88
6.1.2 Distância do TAC em relação à superfície inferior de ruptura ... 89
6.1.2.1 Resistência não drenada para o grupo de amostras A e B ... 90
6.1.2.2 Resistência não drenada para o grupo de amostras MV ... 91
6.2 COMPORTAMENTODASUCÇÃO ... 94
6.2.1 Avaliação da sucção inicial... 94
6.2.2 Análise da sucção na ruptura em relação à distância do TAC à superfície inferior de ruptura ... 94
6.3 RESISTÊNCIANÃODRENADAESUCÇÃO ... 96
7 CONCLUSÕES E SUGESTÕES ... 100
7.1 CONCLUSÕES... 100
7.2 SUGESTÕESPARAFUTUROSTRABALHOS ... 101
1 INTRODUÇÃO
1.1 RELEVÂNCIA DA PESQUISA
O estudo tradicional de problemas da engenharia geotécnica considera, em geral, o solo em uma condição saturada ou completamente seca. Evidentemente essas duas condições apresentam limitações em muitas situações, como por exemplo em solos compactados onde o estado de não saturação é intrínseco do seu estado inicial, e em muitos casos por toda sua vida útil. Assim a obtenção de parâmetros geotécnicos nesta condição dos solos torna-se importante.
Um parâmetro geotécnico importante em projetos de solos compactados é a resistência ao cisalhamento não drenada. Este parâmetro permite avaliações sobre a estabilidade, a capacidade de carga e até mesmo sobre a qualidade e homogeneidade dos aterros. A determinação da resistência não drenada de forma rápida e com precisão pode ser utilizada para o controle da compactação.
Um ensaio prático para a determinação da resistência não drenada de solos moles é o ensaio de palheta. Contudo, no laboratório, o uso do ensaio de palheta permite em geral a avaliação de solos remoldados com características conhecidas tais como umidade, densidade, índice de vazios, e o grau de saturação.
1.2 OBJETIVOS
O objetivo principal da pesquisa é investigar a resistência não drenada de um solo residual de gnaisse compactado utilizando o ensaio de palheta de laboratório com medição direta da sucção por meio do tensiômetro de alta capacidade.
Os objetivos secundários da pesquisa são de avaliar: a posição do tensiômetro de alta capacidade com relação à superfície inferior de cisalhamento originado pela palheta e a influência do comportamento da sucção na resistência ao cisalhamento não drenada.
1.3 ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO
O presente estudo é dividido em 7 capítulos. Em seguida, é apresentada uma descrição sucinta dos capítulos subsequentes.
O Capítulo 2 apresenta uma revisão bibliográfica dos fundamentos teóricos de solos compactados, onde são descritos os aspectos físicos e a sucção gerada neste tipo de solos, e também é exposta uma revisão do comportamento mecânico destes materiais. Em seguida são apresentados conceitos da importância dos limites de Atterberg nos solos compactados, especificamente as relações que eles possuem com o estado não saturado do solo e com a resistência ao cisalhamento não drenada. Finalmente são apresentados conceitos gerais sobre o ensaio de palheta in situ.
O Capítulo 3 apresenta uma descrição dos principais equipamentos utilizados na pesquisa. Inicialmente são apresentados conceitos gerais sobre o ensaio de palheta de laboratório e suas características. Na sequencia são apresentados conceitos sobre o tensiômetro de alta capacidade.
definidos os procedimentos de moldagem dos corpos de prova com parâmetros preestabelecidos.
No Capítulo 5 são apresentados os resultados dos ensaios de palheta de laboratório. Este capítulo é dividido em duas partes: uma que corresponde aos resultados da resistência não drenada; e outro correspondente ao comportamento da sucção.
O Capítulo 6 trata da análise dos resultados obtidos. Inicialmente á analise é realizada separando os conceitos de resistência e sucção. A seguir esses dois parâmetros são relacionados pretendendo obter alguma relação adequada para esse tipo de solo.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS DOS SOLOS COMPACTADOS
Em projetos de engenharia geotécnica o processo de compactação de solos é uma atividade comum, embora a compreensão do comportamento deste tipo de solos seja ainda complexa. No entanto, com o desenvolvimento de novos estudos que permitem a medição da sucção em solos não saturados, tem-se ampliado a compreensão do comportamento dos solos compactados (Leroueil; Hight, 2013).
2.1.1 Aspecto físico dos solos compactados
O processo de compactação de um solo refere-se à redução do seu índice de vazios aplicando nele uma energia de compactação. Quando o solo é compactado com diferentes umidades e com uma mesma energia de compactação se obtém uma curva, onde o valor da densidade seca se incrementa até certo valor e depois decresce com relação ao incremento da umidade. Está curva tem um ponto que corresponde à máxima densidade seca, para o qual o teor de umidade é conhecido como teor de umidade ótimo (wot).
A compactação no laboratório é feita por três procedimentos: aplicando uma energia estática, uma energia dinâmica ou por pisoteamento. O processo de compactação mais comum é o ensaio com energia normal de compactação, que corresponde a aplicação de uma energia dinâmica de 600 kN.m/m3 (ASTM D698). O ensaio de compactação com energia modificada utiliza uma energia 4,5 vezes maior que a energia normal. Uma maior energia de compactação resulta em uma maior densidade seca máxima e em um menor teor de umidade ótimo. No entanto, o grau de saturação nesse ponto não é muito diferente e permanece na linha dos ótimos, que é essencialmente uma linha de grau constante de saturação Sr-ót (Figura 2.1).
Teor de umidade (%)
D
en
si
da
de
se
ca,
rd
(kg/m
3 )
Grau de Saturação (%)
(rs =2700 kg/m3)
wot 2000
1900
1800
1700
1600
0 5 10 15 20 25
60 80 100
Proctor Normal Proctor Modificado
Linha dos Ótimos
Figura 2.1 - Curvas de compactação obtidas com energia normal e modificada com dados fictícios. (Modificado de Leroueil; Hight, 2013)
Lambe (1958) estabelece os primeiros conhecimentos sobre solos compactados, apresentando uma grande quantidade de dados e informações. O autor observa que solos com baixos teores de umidades ou compactados no ramo seco, tem uma estrutura floculada, enquanto que os solos compactados no ramo úmido têm uma estrutura mais dispersa, com uma maior orientação das partículas (Figura 2.2).
A
B
C D
Teor de umidade
D
en
si
da
de
se
ca
Alta energia de compactação
Baixa energia de compactação E
Figura 2.2 - Efeito de compactação na estrutura do solo. (Modificado de Lambe, 1958)
2.1.2 Sucção em solos compactados
A sucção apresentada em solos compactados é responsável por acréscimos de coesão e rigidez. Vários autores apresentam estudos sobre como a sucção se apresenta em solos compactados (i.e., Marinho, 1994; Ridley e Pérez-Romero, 1998; Marinho e Stuermer, 2000).
Sucção matricial (kPa)
T
eo
r
de
u
mi
da
de
(%
)
*
***
102 103
10 0 5 10 15 20 25 30 35
Argila Talybont (wL = 22%)
Argila Selset (wL = 33%)
Xisto de Mangla (wL = 38%)
Argila arenosa (wL = 55%)
Caolim (wL = 64%) *
Figura 2.3 - Relação teor de umidade-sucção para solos compactados. (Modificado de Ridley; Pérez-Romero, 1998)
10 15 20 25 30 35 11
12 13 14 15 16 17 18
Teor de umidade (%)
D
en
si
da
de
Se
ca
(
kN
/m
3 )
Energia Normal Energia Modificada Energia não padronizada
50 kPa 200 kPa 500 kPa 1500 kPa
Figura 2.4 - Curvas de compactação com linhas de iso-sucção. (Modificado de Marinho; Stuermer, 2000)
La Verne wL=35%
Sr=0,6 Sr=0,8
Sr=1
10 15 20 25
16 17 18 19
Compactação Proctor Ramo umido
Teor de umidade (%)
Su
cçã
o
(kPa
)
D
en
si
da
de
se
ca
(
kN
/m
3 )
10 15 20 25
103
102
101
1
10-1
Teor de umidade (%)
Figura 2.5 - Curva de compactação e variação da sucção com relação à variação do teor de umidade (Fleureau et al., 2002)
2.1.3 Mecânica dos solos compactados
Ramo umido
Sr=100%
Linha dos ótimos
(Sr-ot)
Ramo seco
Ot.
wot
rd
Sr<S
r-ot Sr>S
r-ot
Figura 2.6 - Modelo qualitativo para solos compactados. (Modificado de Leroueil; Hight, 2013)
O material na condição “como compactado” apresenta valores mais elevados de sucção no ramo seco que no ramo úmido, onde a sucção é baixa e consequentemente o solo é mais deformável. Como resultado, o solo compactado no ramo seco apresenta agregações que induzem a formação de duas famílias de poros (macroporos e microporos). Já os solos compactados no ramo úmido têm uma estrutura mais homogênea apresentando poros mais uniformes (microporos). A fase do ar é continua no ramo seco enquanto é oclusa no ramo úmido e este aspecto tem influência nos processos de drenagem durante a ruptura (Leroueil; Hight, 2013).
Da divisão apresentada por Leroueil e Hight (2013), pode-se concluir que o comportamento mecânico dos solos compactados no ramo seco é controlado pela mecânica dos solos não saturados, com uso das variáveis de tensão, ,
. Já no ramo úmido o comportamento mecânico é controlado pelo princípio das tensões efetivas . (Shahu et al., 1999; Lerouei e Hight, 2013; Carnero e Marinho, 2014).
4, 5 e 6 foram compactadas no ramo úmido, e finalmente a amostra 3 corresponde a uma amostra compactada no teor de umidade ótimo. A Figura 2.7(b) apresenta resultados da tensão desviadora e da deformação axial para as amostras compactadas na Figura 2.7(a). Observa-se que as amostras compactadas no ramo seco apresentam resistências maiores que as amostras compactadas no ramo úmido, porém a ruptura é atingida com deformações axiais menores. A amostra 3 compactada no teor de umidade ótimo apresenta um comportamento intermediário entre as amostras compactadas nos ramos seco e no ramo úmido.
1 2 3 4 5 6
Teor de umidade de moldagem (%)
D en si da de se ca ( kg /m 3 ) 1500 1450 1400 1350
20 22 24 26 28 30 32 34 36
(a) 1 2 3 4 5 6 (b)
Deformação axial (%)
T en sã o de svi ad ora ( kPa )
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0 600 500 400 300 200 100 Amostra S r =
10 0%
Figura 2.7 - (a) Curva de compactação Proctor. (b) Relação tensão-deformação para solos compactados de caulinita no ensaio triaxial UU. (Modificado de Seed; Chan, 1959)
(1)
A eq.(1) explica porque a amostra 2 da Figura 2.7 tem uma resistência não drenada que é mais de quatro vezes o valor da resistência da amostra 6, inicialmente com a mesma densidade seca e índice de vazios.
2.2 RESISTÊNCIA NÃO DRENADA DOS SOLOS NÃO SATURADOS
A resistência não drenada de solos saturados tem sido correlacionada com os limites de Atterberg, para um teor de umidade que varia acima do limite de liquidez e na proximidade do limite de plasticidade. (Skempton e Northey, 1952)
Skempton (1970) apresentou resultados do ensaio de palheta in situ mostrando a relação entre o índice de vazios e o índice de liquidez para argilas normalmente adensadas. O autor observou que a resistência ao cisalhamento não drenada incrementa-se com a diminuição do índice de liquidez e consequentemente com o índice de vazios.
como sugerido por Fleureau et al. (2002). Nesta figura observa-se que a sucção é diretamente proporcional ao teor de umidade de compactação.
T
eo
r
de
u
mi
da
de
ó
timo
(%
)
T
eo
r
de
u
mi
da
de
ó
timo
(%
)
Limite de plasticidade (%)
Sucção no teor de umidade ótimo (kPa) Baseado em dados de Fleureau et al (2002)
Como já mencionado, a resistência não drenada de argilas tem sido amplamente relacionadas com o índice de liquidez , definida pela eq.(2):
(2)
Onde:
: Umidade atual da amostra;
: Limite de liquidez do solo;
: Limite de plasticiade do solo.
Wood (1990) menciona que o ensaio de compressão não confinada para argilas saturadas não produz mudança no teor de umidade, e pode ser assumido que não existe variação de volume. A relação entre a resistência ao cisalhamento não drenada no limite de plasticidade e no limite de liquidez é da ordem de 100. Como sugerido pelo autor, a resistência não drenada de solos saturados pode ser expressa em uma função do índice de liquidez pela eq.(3):
(3)
Leroueil; Le Bihan e Bouchard (1992) apresentaram uma relação para a resistência ao cisalhamento não drenada de argilas na condição "como compactadas":
(4)
A relação anterior é valida para entre 0,3 e -0,1.
Onde o índice de liquidez do solo compactado é calculado a partir da seguinte relação:
(5)
Onde:
: Teor de umidade ótimo obtido no ensaio de compactação Proctor.
CW. Os autores mediram a sucção matricial nas amostras de solo, modificando os equipamentos com o uso de um tensiômetro de alta capacidade. Os resultados indicam que o teor de umidade inicial de compactação influencia significativamente o comportamento da resistência ao cisalhamento. Ademais observou-se que a contribuição da sucção matricial para a resistência ao cisalhamento do solo varia linearmente, até o valor de entrada de ar, contudo, isso não acontece para sucções maiores que a da entrada de ar.
Marinho e Oliveira (2012) fizeram ensaios de compressão não confinada mantendo umidade constante, que é uma condição não drenada a água, em um conjunto de solos brasileiros utilizados usualmente para a construção de aterros. Os corpos de prova foram compactados estaticamente com 35 mm de diâmetro e 80 mm de altura e a medição da sucção inicial dos corpos de prova foi realizada com o método do papel filtro. A Figura 2.9 mostra o estado de cada amostra na sua condição inicial, e também a sucção inicial. As amostras foram secadas ou umedecidas antes de iniciar os ensaios. Cada ponto marcado com um “×” representa o teor de umidade ótimo e a respectiva densidade seca máxima para cada solo ensaiado.
Figura 2.9 - Teor de umidade e densidade seca de amostras pesquisadas com varias amostras. (Modificado de Marinho; Oliveira, 2012)
Teor de umidade (%)
(após umedecimento)
“Como compactado”
S = 50% S = 100%
gd
(k
N
/m
3 )
(após secagem)
Residual de gnaisse – 2da Serie de ensaios Residual de gnaisse - Ótima
Figura 2.10 - Condições iniciais de compactação das amostras e condições dos ensaios. (Modificado de Marinho; Oliveira, 2012)
Marinho e Oliveira (2012) apresentam os resultados dos ensaios na Figura 2.11 onde a resistência ao cisalhamento não drenada incrementa enquanto o índice de liquidez decresce. Eles observaram que no teor de umidade ótimo ( ), a resistência ao cisalhamento não drenada varia entre 70 kPa a 150 kPa. Além disso, os autores apresentaram resultados obtidos por Leroueil; Le Bihan, e Bouchard (1992) e Yilmaz (2000), e a relação de Wood (1990) definida para solos saturados.
Teor de umidade (%) Sucção (kPa)
S = 100%
S = 50%
gd
(
kN
/m
3 )
Argila arenosa Vermelha Residual de gnaisse Argila arenosa rosa Argila arenosa preta Caolim
R
esi
st
ên
ci
a
nã
o
dre
na
da
(
kN
/m
2)
(w-wot)/Ip
Sucção inicial (kPa)
RS-Serie de ensaios 2 Leroueil et al. (1992) Yilmaz (2000) Wood (1990)
RC RS PC DC K
Figura 2.11 - Resistência não drenada versus (w-wot)/Ip e a sucção inicial. (Modificado de Marinho;
Oliveira, 2012)
Segundo Marinho e Oliveira (2012), o índice de vazios é quem controla a resistência ao cisalhamento dos solos, e para os solos não saturados a sucção também tem uma função importante. As relações entre a resistência ao cisalhamento não drenada e o teor de umidade são controladas pelo índice de vazios e pela sucção. A resistência ao cisalhamento é inversamente proporcional ao índice de vazios e diretamente proporcional a sucção como observado na Figura 2.12. Os autores fizeram regressões para cada série de testes e especificamente para o solo residual de gnaisse obtiveram a seguinte relação utilizando o ensaio de compressão não confinada:
(6)
Onde:
(w-wot)/Ip ou IL
R
esi
st
ên
ci
a
nã
o
dre
na
da
(
kN
/m
2 )
Leroueil et al. (1992)
“como compactado”
Wood (1990) – IL
Solo Saturado
Ótimo w/c Ou
Limite de plasticidade Limite de liquidez RS–Serie de ensaios 2
Wood (1990) Leroueil et al. (1992)
Figura 2.12 - Resistência não drenada versus (w-wot)/Ip para o solo residual de gnaisse. (Modificado de Marinho; Oliveira, 2012)
R
esi
st
ên
ci
a
nã
o
dre
na
da
(
kPa
)
(w-wot)/Ip
Leroueil et al., 1992 Boutin, 1994
Marinho e Oliveira, 2012
Figura 2.13 - Relação: resistência não drenada - (w-wot)/Ip. (Leroueil; Hight, 2013)
2.3 ENSAIO DE PALHETA EM SOLOS NÃO SATURADOS
Liu e Thornburn (1964) pesquisaram as relações correspondentes a resistência obtida no ensaio de palheta com as propriedades índices do solo, onde uma comparação da magnitude relativa dos coeficientes de correlação indica que a resistência obtida no ensaio está melhor correlacionada com o índice de plasticidade e o teor de umidade natural. Os autores fizeram ensaios de palheta in situ em um solo superficial em 115 locais em 9 diferentes cidades em Illinois nos Estados Unidos. Os ensaios foram programados em três horizontes A, B e C de dez tipos de solos pedológicos de um grupo de solo chamado Humic-Gley. Os ensaios foram feitos em quatro meses com a finalidade de incluir uma maior faixa de umidades naturais do solo. A máxima profundidade dos ensaios foi de 183 centímetros no horizonte C. O menor valor do limite de liquidez dos solos investigados foi de 22% e o menor valor do índice de plasticidade foi de 4%. Além disso, os autores fizeram uma comparação dos resultados da resistência obtida com o ensaio de palheta in situ com resultados de resistência de ensaios de compressão não confinada obtidos a partir de amostras obtidas do tipo shelby em 25 diferentes locais.
Na Figura 2.14, Liu e Thornburn (1964) apresentam resultados dos ensaios de palheta e compressão não confinada versus o índice de liquidez. Ambas as figuras indicam que o teor de umidade natural do solo estava próximo do limite de plasticidade. Isso indica que a maior parte dos solos pesquisados foram solos não saturados. Também os resultados das figuras consideram bastante dispersão nos resultados, embora quando ambos os ensaios são comparados, eles mostram que os resultados da resistência obtida a partir do ensaio de palheta in situ é muito maior que os resultados obtidos no ensaio de compressão não confinada para equivalentes valores do índice de liquidez.
onde eles preveem a não saturação das amostras, as formações estruturais de ruptura definidas, e variações naturais dos locais dos materiais.
-0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4
Índice de Liquidez
R esi st ên ci a de p al he ta , C ( ki ps /p é 2) 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 R esi st ên ci a de co mp re ssã o un id ime nsi on al n ão co nf in ad a, qu /2 ( ki ps /p é 2 ) (a) (b)
Figura 2.14 - (a) Relação entre a resistência de compressão não confinada e o índice de liquidez.
(b) Relação entre a resistência de palheta e o índice de liquidez. Os Horizontes A, B e C são combinados (Modificado de Liu; Thornburn, 1964).
direto não consolidado) e ensaios de palheta in situ em um solo residual laterítico (Figura 2.15). A dispersão mostrada é bastante significativa da resistência medida em solos fissurados resecados mesmo saturados ou não saturados no momento do ensaio. A diferença da resistência ao cisalhamento entre o ensaios da palheta no solo não deformado e amolgado é bastante significativa. Fazendo uma comparação entre os resultados obtidos nos ensaios com o resultado da resistência obtida do solo em massa, é mais claro que a resistência do solo em massa é praticamente governada pela resistência ao longo das descontinuidades. Está resistência é representada pelo limite inferior da resistência medida em ensaios em pequena escala. Os ensaios foram feitos em épocas úmidas e secas onde o nível do lençol freático variou entre -1,8 m e -4,0 m, assim não há uma divisão rápida nem rígida do solo saturado e não saturado.
Figura 2.15 - Comparação de várias pequenas medidas de resistência em um solo residual de xisto com a resistência-da-massa calculada a partir da falha de um deposito de resíduos de rocha.
(Modificado de Blight, 1969)
Lençol freático Resistência não drenada (kPa)
Pro fu nd id ad e (m ) Pro fu nd id ad e da zo na d e fa lh a so b re sí du os de ro ch a Resistência calculada para F=1
Posição do lençol freático na superfície
Abaixo de 5 m no material indeformado à resistência da palheta excede 300 kPa
Ensaio de palheta com amostra amolgada
Cisalhamento direto não consolidado Triaxial UU
Ensaio de palheta com amostra indeformada
0 50 100 150 200 250
Segundo Blight (1969), se um teste de palheta é realizado sob condições completamente não drenadas, a seguinte sequencia de mudanças da pressão na água dos poros ocorrerá:
Uma vez que a palheta é cravada até à profundidade de medição, o deslocamento do solo pelas lâminas e haste de torque vai gerar pressão na água dos poros.
Uma pressão na água dos poros adicional surgira quando a palheta é rodada. O volume do solo no qual a pressão na água dos poros vai mudar é desconhecido, mas é certamente maior do que o cilindro varrido pelas lâminas da palheta.
3 DESCRIÇÃO DOS EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
3.1 ENSAIO DE PALHETA DE LABORATÓRIO
O ensaio de palheta de laboratório é uma ferramenta importante para determinar a resistência ao cisalhamento não drenada de amostras não deformadas e remoldadas de solos.
3.1.1 Equipamento
O equipamento de palheta de laboratório utilizado na pesquisa é fabricado pela Wykeham Farrance Engineering, de origem inglesa. Este equipamento consiste de um torquímetro acoplado a uma base cilíndrica rígida que possui em uma extremidade uma palheta de aço (Figura 3.1). A palheta localizada na extremidade da haste é encaixada em um soquete conectado por um eixo vertical de rotação, em torno do qual se encontra uma mola. A mola é fixada sob-compressão no eixo vertical, e assim qualquer tipo de rotação do torquímetro é transmitida ao longo dela para o soquete.
Figura 3.1 - Equipamento de palheta de laboratório. (CONTROLS Group. Disponível em: <http://www.controls-group.com/>. Acesso em: 04 ago. 2014.)
3.1.1.1 Palheta
O equipamento de palheta de laboratório tem quatro lâminas retangulares com diâmetros na faixa de 12,7 mm a 25,4 mm, de acordo com a norma ASTM D 4648-13, a altura é igual ou duas vezes maior que o diâmetro das palhetas. Na presente pesquisa foi utilizada a palheta com altura igual ao diâmetro de 12,7 mm.
3.1.1.2 Mola
Na Figura 3.2 estão apresentadas as calibrações das quatro molas da palheta de laboratório. A partir destas calibrações são determinadas as constantes que relacionam o ângulo de rotação com o torque.
Figura 3.2 - Calibração das molas do equipo de palheta de laboratório.
Na Tabela 3.1 estão apresentados os valores da constante de deflexão Δ, para as quatro molas:
Tabela 3.1 - Constante de deflexão das molas - Δ.
Deflexão - Δ
Mola 1 Mola 2 Mola 3 Mola 4 0,0088 0,0196 0,0302 0,0486
A resistência não drenada de um solo está em função do máximo torque e das dimensões da palheta, e é expressa por:
(7)
Onde:
T: torque (kgf.cm)
0 50 100 150 200
0 2 4 6 8 10
D
e
fl
e
xão
d
a m
o
la (
g
rau
s)
Torque (kgf.cm)
Mola 1
Mola 2
Mola 3
K: constante das lâminas da palheta (cm3) que é dada pela relação:
(8)
Onde D e H estão em milímetros.
O torque T, pode ser expressado em termos da deflexão da mola, em graus, como segue:
(9)
Onde:
B: inclinação da curva de calibração em °/kgf.cm
A resistência ao cisalhamento pode ser obtida da seguinte equação:
(10)
Onde:
C =
Então:
C (11)
Na Tabela 3.2 estão apresentados os valores da constante C para as quatro molas e para todas as palhetas.
Tabela 3.2 - Constantes C das molas do equipamento de palheta de laboratório.
Palheta k
H x D (cm) Mola 1 Mola 2 Mola 3 Mola 4
1,27 x 1,27 2,06 4,59 7,02 11,30
1,90 x 1,27 1,50 3,35 5,12 8,70
2,54 x 1,27 1,18 2,62 4,01 6,46
3.2 TENSIÔMETRO DE ALTA CAPACIDADE
O tensiômetro de alta capacidade (TAC) desenvolvido por Ridley e Burland (1993) consiste basicamente de um transdutor de pressão, uma pedra porosa de alta pressão de entrada de ar, e água. O transdutor é conectado a uma cápsula de aço inox, composta de uma câmara com pequeno volume de água que está em contato com a pedra porosa de alta entrada de ar e um diafragma. O pequeno volume de água inserto no TAC é utilizado para impedir a formação de bolhas de ar e minimizar o tempo de resposta. (Figura 3.3)
Pedra porosa de alta entrada de ar (1500 kPa)
Transdutor de Pressão Entran EPX
Luva de acoplamento de aço
Reservatório de água Fios
Anel de vedação
Conexão elétrica Escala em mm
5 10
0
Figura 3.3 - Tensiômetro de alta capacidade. (Modificado de Ridley; Burland, 1993)
Antes do uso do TAC deve-se garantir que a pedra porosa esteja saturada, a parede interna da câmara preenchida com água e que não apresente micro bolhas de ar. Para a saturação do sistema, Ridley e Burland (1993) utilizaram uma bomba hidráulica de alta pressão com capacidade de aplicar pressão de até 6 MPa. A aplicação de altas pressões é necessária para dissolver o ar livre que pode levar o sistema à cavitação no decorrer das medidas de sucção. Segundo Marinho (1998), para eliminar totalmente o ar presente no TAC, a saturação foi obtida por ciclos de pressão positiva de água de 4 MPa sobre o TAC. Com pressões elevadas o ar, presente no interior da pedra porosa, se dissolve na água. Ao se aliviar a pressão, apesar de ocorrer novamente à expansão do ar, parte dele sai dissolvido na água. São necessários diversos ciclos de pressão e descompressão para a saturação do TAC.
A calibração do TAC e do transdutor tem a finalidade de garantir que as leituras sejam convertidas em um valor correto da pressão. A calibração é feita extrapolando-se a relação entre a tensão elétrica e a pressão positiva para o lado negativo. Isto se deve ao fato de não ser possível aplicar uma sucção conhecida diferente. Ridley e Burland (1993) avaliaram que a calibração para o transdutor derivada de pressões positivas poderia ser extrapolada no lado negativo. Assim os autores conferiram a hipótese de extrapolação.
3.2.1 Introdução do TAC no ensaio de palheta de laboratório
O TAC no ensaio de palheta de laboratório foi instalado na base de um equipamento triaxial. Acima desta base foi adaptado um disco de nivelação com dois pinos de metal para encaixar os anéis de PVC que contem os corpos de prova. (Figura 3.4 e Figura 3.5)
TAC PALHETA
CORPO DE PROVA A/D
CONVERSOR
COMPUTADOR
DISCO DE NIVELAÇÃO
0 50 100
Escala em mm
Figura 3.4 - Detalhes do ensaio de palheta com medição de sucção utilizando o TAC.
DISCO DE NIVELAMENTO
TAC
BASE DO EQUIPAMENTO
TRIAXIAL
PINOS
Figura 3.5 - Detalhes da introdução do TAC no ensaio de palheta de laboratório.
TAC. A distância do TAC à superfície inferior de ruptura da palheta será chamada de distância alinhada do TAC à superfície inferior de ruptura que é de 13,73 mm. (Figura 3.6)
TAC
Distância alinhada do TAC à superfície inferior de ruptura
da palheta
0 50 100
Escala em mm
13,73
mm
18,825 mm
13,60 mm
Figura 3.6 - Detalhes da distância alinhada do TAC à superfície inferior de ruptura da palheta.
Os anéis de PVC utilizados para a moldagem do solo, foram providos de dois furos nas bordas para se encaixar no disco de nivelamento, e evitar a rotação dos corpos de prova durante o cisalhamento. Detalhes dos anéis estão ilustrados na Figura 3.7.
FURO FURO
4 CARACTERIZAÇÃO DO SOLO E DESCRIÇÃO DOS ENSAIOS
O presente capítulo apresenta aspectos do local onde foi coletado o material estudado. Em seguida será descrito o local de amostragem, a coleta de material e armazenamento, e os ensaios de caracterização do solo. Em função dos resultados de caracterização do solo, foram determinadas as condições de moldagem dos corpos de prova e foi definida a programação dos ensaios.
4.1 LOCAL DE AMOSTRAGEM
No presente estudo, foi utilizado um solo residual de gnaisse, coletado de um local próximo do antigo Campo Experimental do Laboratório de Mecânica de Solos da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. O solo residual de gnaisse é composto de silte arenoso com núcleos de caulim. A elevação do local de amostragem é de aproximadamente 790 metros acima do nível do mar.
A escolha do solo nesta pesquisa é devido a sua utilização em outras pesquisas (i.e., as dissertações de mestrado de Stuermer (1998), Vieira (1999), Kuwagima (2000) e as teses de doutorado de Oliveira (2004) e Vieira (2005)). Outro aspecto importante refere-se à disponibilidade de dados sobre esse tipo de solo na literatura.
4.2 COLETA DA AMOSTRA E ARMAZENAMENTO
Na Figura 4.1 apresenta-se uma imagem que corresponde ao local onde foram coletadas as amostras utilizadas nesta pesquisa.
Figura 4.1 - Local onde foi coletada a amostra de solo utilizada nesta pesquisa.
4.3 ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO
As amostras de solo foram preparadas para os ensaios de caracterização seguindo as recomendações da NBR 6457. A realização dos ensaios de caracterização seguiram as recomendações das seguintes normas técnicas:
Análise granulométrica (NBR 7181/88);
Limite de liquidez (NBR 6459/84);
Limite de plasticidade (NBR 7180/84);
Massa específica dos grãos (NBR 6508/84);
Ensaio de compactação (NBR 7182/88);
Figura 4.2 - Curva de Distribuição Granulométrica do solo residual de gnaisse.
De acordo com os ensaios de caracterização, o solo estudado apresenta um limite de liquidez de 44%, um limite de plasticidade de 33%, e densidade de grãos de 2,763 g/cm3. Os valores do limite de liquidez e o índice de plasticidade são utilizados na carta de plasticidade de Casagrande para classificar o solo como um silte de baixa compressibilidade (Figura 4.3). Na Tabela 4.1 estão apresentadas as características geotécnicas básicas do solo estudado.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0,000 0,001 0,010 0,100 1,000 10,000 100,000
P
orc
ent
agem
que
pas
sa
(
%
)
Diâmetro dos grãos (mm)
Residual de Gnaisse
Argila Silte A. Fina A. Media A. Grossa Pedregulho
Peneiras (ASTM) 200 100 50 40 30 16 10 4
(ABNT)
Figura 4.3 - Classificação do solo residual de gnaisse na carta de plasticidade.
Tabela 4.1 - Resultados dos ensaios de caracterização.
Densidade dos grãos (g/cm3) 2,763
Limite de liquidez (%) 44
Limite de plasticidade (%) 33
Índice de plasticidade (%) 11
Areia média (%) 3
Areia fina (%) 28
Silte (%) 56
Argila (%) 13
Classificação unificada ML
4.4 DETERMINAÇÃO DA CURVA DE COMPACTAÇÃO
O ensaio de compactação foi feito segundo recomendações da ABNT em sua norma NBR 7182; as amostras foram preparadas de acordo com a NBR 6457. A amostra foi ensaiada sem secagem ao ar e o ensaio foi feito sem reuso de material. O material foi compactado em três camadas em um cilindro de Proctor de volume de 1000cm3, utilizando um soquete de compactação de 2,5 kg e fazendo uso de 26 golpes por cada camada (correspondente à energia de compactação normal). Obtiveram-se seis pontos na curva de compactação, e assim foi definido o teor de
0 10 20 30 40 50 60
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Índi
ce
de P
la
st
ic
idade
(%
)
Limite de Liquidez (%)
CL
CH
ML OL
umidade ótimo e a densidade seca máxima. Na Figura 4.4, está apresentada a curva de compactação do material estudado juntamente com as linhas de isso-grau de saturação. Os valores da massa específica aparente seca máxima e da umidade ótima são 15,4 kN/m3 e 22% respectivamente.
Figura 4.4 - Curva de compactação Proctor do solo residual de gnaisse.
4.5 CURVA DE RETENÇÃO
A curva de retenção de água é uma ferramenta importante para a avaliação da sucção dos corpos de prova na condição de "como compactado". Para tal fim foi utilizada à curva de retenção de água do estudo realizado por Orlando (2014) com um solo que foi coletado do mesmo lugar que o solo do presente estudo. Orlando (2014) obteve a curva de retenção com amostras de solo compactadas na umidade ótima, e no ramo seco e úmido da curva de compactação Proctor. (Figura 4.5)
14,0 14,4 14,8 15,2 15,6 16,0
12 15 18 21 24 27 30
M
as
sa
e
sp
e
cí
fi
ca
ap
ar
e
nt
e
se
ca
(k
N
/m
³ )
Teor de Umidade (%)
A partir da Figura 4.5, observa-se que a sucção do solo na condição de "como compactado" não corresponde à curva de retenção de água apresentada por Orlando (2014) pelo fato das amostras ter sido compactadas com características diferentes como o índice de vazios, e por ter trajetórias de umedecimento e secagem diferentes.
+
Figura 4.5 - Curva de retenção de água. 0 20 40 60 80 100
1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06
Gr au d e sa tu ra çã o (% ) Sucção (kPa)
Ótimo - Orlando (2014) Seco - Orlando (2014) Umido - Orlando (2014) TAC 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06
Teo r de u m ida de g ra vim et ric o (% ) Sucção (kPa)
4.6 ENSAIO DE PALHETA DE LABORATÓRIO
Os ensaios de resistência não drenada da presente pesquisa foram feitos no equipamento de palheta de laboratório. Durante o ensaio, foi medida a sucção diretamente com uso do TAC. Neste item serão descritos os procedimentos de moldagem e preparação dos corpos de prova e os procedimentos do ensaio.
4.6.1 Moldagem dos corpos de prova
Numa bandeja adicionou-se gradativamente água no solo previamente passado pela peneira No.10, revolvendo continuamente o material de forma a obter uma amostra com partículas homogêneas. O material que ficou com agregações foi peneirado na peneira N°4 e após este procedimento, foi armazenado em sacos de plástico vedado e mantido em processo de cura para a homogeneização da umidade durante 24 horas.
Os corpos de prova foram compactados com energia estática em uma camada utilizando anéis de PVC com 40 mm de altura e 75,3 mm de diâmetro interior. Após o procedimento da moldagem, os corpos de prova foram envoltos em filme plástico e filme alumínio, e foram deixados em repouso por 24 horas no interior de uma caixa de isopor para alcançar a homogeneização da umidade.
4.6.2 Procedimentos utilizados durante o ensaio
Para se medir a sucção de um corpo de prova com o TAC deve-se garantir que a água presente na estrutura do solo apresente uma continuidade hidráulica com a água da pedra porosa do equipamento. Para que a continuidade hidráulica ocorra, é utilizada uma pasta de caulim preparada com teor de umidade entre seu limite de liquidez e o limite de plasticidade (Oliveira; Marinho, 2003).
cisalhamento. Neste momento a pasta passa a perder água para o corpo de prova até o momento em que a estabilização da sucção seja alcançada entre ambos materiais. A pasta, que está em contato direto com a pedra porosa, gera uma pressão negativa da água presente em sua estrutura, que é transmitida ao diafragma do transdutor. O valor da resistência elétrica do diafragma varia com sua flexão. A variação da voltagem produzida pela variação do valor da resistência elétrica do diafragma é transmitida para o sistema de aquisição de dados onde é convertida, através de sua calibração, em unidades de pressão.
Uma vez que o equilíbrio da sucção inicial é alcançada, a palheta é cravada no solo, o torque é aplicado à mola mediante o uso de um motor, e a palheta rodará gradualmente cisalhando o solo até a ruptura. A velocidade de cravação da palheta é de 40 mm/min, para os ensaios convencionais e de 4 mm/min para o ensaio com cravação lenta. Nas amostras A e B, o cisalhamento foi imediatamente após a palheta ficar na altura correspondente ao ensaio, enquanto que para as amostras MV o tempo despendido desde o inicio da cravação e o inicio da rotação da palheta foi de um minuto.
4.6.3 Definição dos pontos de estudo
Inicialmente se tentou fazer ensaios com corpos de prova compactados na umidade ótima atingindo a densidade seca máxima conforme a curva de compactação Proctor, mas a dificuldade de cravar a palheta e cisalhar estes corpos de prova obrigou a fazer corpos de prova menos densos.
intervalo do tempo da medição da sucção. Já os grupos MV1 e MV2 são os dois grupos de ensaios que serão estudados com mais detalhe.
Os grupos A e MV1 são corpos de prova compactados com um índice de vazios e1=1,0, enquanto que os grupos B e MV2 foram compactados com um índice de vazios e2=1,1. A escolha deste índices de vazios foi pela impossibilidade de utilizar índices de vazios maiores, pelo cuidado da deformação da palheta. As características de moldagem dos grupos A, B, MV1 e MV2, como umidade, densidade seca específica, índice de vazios, grau de saturação, distância do TAC à superfície inferior de ruptura, e a sucção inicial são apresentadas nas seguintes tabelas:
Tabela 4.2 - Condição inicial de moldagem de amostras A.
Ensaio w (%) (g/cm³) rd e S(%) d (mm) i (kPa)
A1 20,6 1,39 1,0 57,43 3,40 145
A2 20,6 1,38 1,0 56,84 6,80 144
A3 20,6 1,39 1,0 57,38 13,60 147
A4 23,1 1,39 1,0 64,38 3,40 105
A5 23,1 1,39 1,0 64,93 6,80 105
A6 23,1 1,39 1,0 64,38 13,60 103
A7 23,7 1,39 1,0 65,98 3,40 102
A8 23,7 1,39 1,0 65,95 6,80 93
A9 23,7 1,39 1,0 65,92 13,60 97
A10 27,6 1,38 1,0 75,64 3,40 53
A11 27,6 1,37 1,0 75,25 6,80 52
A12 27,6 1,37 1,0 75,46 13,60 55
A13 30,9 1,38 1,0 84,75 3,40 32
A14 30,9 1,37 1,0 84,66 6,80 37
A15 30,9 1,38 1,0 84,82 13,60 35
A16 33,7 1,38 1,0 92,28 3,40 22
A17 33,7 1,37 1,0 92,14 6,80 20
A18 33,7 1,37 1,0 92,20 13,60 20
Tabela 4.3 - Condição inicial de moldagem de amostras B.
Ensaio w (%) (g/cm³) rd e S(%) d (mm) i (kPa)
B1 20,6 1,32 1,1 52,36 3,40 142
B2 20,6 1,33 1,1 52,47 6,80 145
B3 20,6 1,32 1,1 52,25 13,60 146
B7 23,7 1,32 1,1 59,87 3,40 100
B8 23,7 1,32 1,1 60,00 6,80 98
B9 23,7 1,32 1,1 60,10 13,60 95
B10 27,6 1,31 1,1 69,08 3,40 53
B11 27,6 1,32 1,1 69,33 6,80 52
B12 27,6 1,31 1,1 69,17 13,60 53
B13 30,9 1,32 1,1 77,87 3,40 35
B14 30,9 1,31 1,1 77,56 6,80 35
B15 30,9 1,32 1,1 77,81 13,60 35
B16 33,7 1,32 1,1 85,31 3,40 23
B17 33,7 1,32 1,1 84,98 6,80 21
B18 33,7 1,31 1,1 84,45 13,60 22
Tabela 4.4 - Condição inicial de moldagem de amostras MV1.
Ensaio w (%) (g/cm³) rd e S(%) d (mm) i (kPa)
MV101 22 1,38 1,0 61,25 3,40 107
MV102 22 1,38 1,0 61,48 6,80 106
MV103 22 1,38 1,0 61,38 13,60 108
MV104 22 1,38 1,0 61,40 CL13,60 107
MV105 22 1,38 1,0 61,45 13,73* 109
MV106 24 1,38 1,0 66,50 3,40 91
MV107 24 1,39 1,0 66,63 6,80 93
MV108 24 1,38 1,0 66,48 13,60 93
MV109 24 1,38 1,0 66,52 CL13,60 95
MV110 24 1,38 1,0 66,51 13,73* 94
MV111 26 1,38 1,0 71,67 3,40 81
MV112 26 1,38 1,0 71,85 6,80 81
MV113 26 1,38 1,0 71,70 13,60 82
MV114 26 1,38 1,0 71,70 CL13,60 81
MV115 26 1,38 1,0 71,68 13,73* 82
MV116 28 1,38 1,0 77,87 3,40 55
MV117 28 1,38 1,0 77,94 6,80 53
MV118 28 1,38 1,0 78,00 13,60 54
MV119 28 1,38 1,0 78,01 CL13,60 57
MV120 28 1,38 1,0 77,98 13,73* 55
MV121 30 1,38 1,0 83,33 3,40 40
MV122 30 1,38 1,0 83,32 6,80 40
MV123 30 1,38 1,0 83,25 13,60 38
MV124 30 1,38 1,0 83,40 CL13,60 40
MV125 30 1,38 1,0 83,34 13,73* 41
d - Distância vertical do TAC à superfície inferior de ruptura da palheta;
CL13,60 - Cravação lenta da palheta;
Tabela 4.5 - Condição inicial de moldagem de amostras MV2.
Ensaio w (%) (g/cm³) rd e S(%) d (mm) i (kPa)
MV201 22 1,32 1,10 55,83 3,40 106
MV202 22 1,32 1,10 55,83 6,80 104
MV203 22 1,32 1,10 55,83 13,60 105
MV204 22 1,32 1,10 55,85 CL13,60 106
MV205 22 1,32 1,10 55,86 13,73* 107
MV206 24 1,32 1,10 60,44 3,40 89
MV207 24 1,32 1,10 60,43 6,80 90
MV208 24 1,32 1,10 60,43 13,60 94
MV209 24 1,32 1,10 60,45 CL13,60 86
MV210 24 1,32 1,10 60,41 13,73* 90
MV211 26 1,32 1,10 65,67 3,40 71
MV212 26 1,32 1,10 65,61 6,80 70
MV213 26 1,32 1,10 65,68 13,60 71
MV214 26 1,32 1,10 65,70 CL13,60 71
MV215 26 1,32 1,10 65,67 13,73* 72
MV216 28 1,32 1,10 70,90 3,40 50
MV217 28 1,32 1,10 70,89 6,80 52
MV218 28 1,32 1,10 70,89 13,60 50
MV219 28 1,32 1,10 70,87 CL13,60 51
MV220 28 1,32 1,10 70,89 13,73* 51
MV221 30 1,32 1,10 75,86 3,40 42
MV222 30 1,32 1,10 75,71 6,80 44
MV223 30 1,32 1,10 75,72 13,60 42
MV224 30 1,32 1,10 75,79 CL13,60 42
MV225 30 1,32 1,10 75,72 13,73* 44
d - Distância vertical do TAC à superfície inferior de ruptura da palheta;
CL13,60 - Cravação lenta da palheta;
5 APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS
Inicialmente são apresentados os resultados da resistência não drenada para ensaios de palheta padrão. A seguir são apresentados os resultados de resistência para avaliar o efeito da distância do TAC em relação à superfície inferior de ruptura da palheta. Ao final são apresentados os resultados de medição da sucção.
5.1 RESISTÊNCIA NÃO DRENADA
Neste item são apresentados os resultados correspondentes à resistência não drenada com relação à rotação da palheta para ensaios padrão com distância do TAC à superfície inferior de ruptura da palheta de 13,60 mm.
No item 5.1.1 são apresentados os resultados da resistência não drenada para o grupo de amostras A e B. No item 5.1.2 são apresentados os resultados para o grupo de amostras MV1 e MV2.
5.1.1 Resistência não drenada para o grupo de amostras A e B
Figura 5.1 - Resistência não drenada versus rotação da palheta para o grupo de amostras A.
Na Figura 5.2 são apresentados os resultados da resistência não drenada em relação à rotação da palheta para o grupo de amostras B. Nas amostras B3 e B9 não foi possível obter dados de resistência acima de 50° e 40° respectivamente por causa da ruptura rápida do solo. As amostras de solo B3, B9, B12, B15 alcançaram a resistência máxima quando a rotação da palheta foi de 35° enquanto que a amostra B18 alcanço a resistência máxima quando a rotação da palheta foi de 45°.
0 50 100 150 200 250
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
R
es
is
tê
ncia
não
dre
nada
(
kP
a)
Rotação da palheta (graus)
Figura 5.2 - Resistência não drenada versus rotação da palheta para o grupo de amostras B.
Analisando as Figuras 5.1 e 5.2 juntamente com as Tabelas 4.2 e 4.3, a ruptura do solo com maiores valores da resistência correspondem a corpos de prova compactados com menores umidades.
Os resultados da resistência não drenada máxima, assim como a umidade, peso especifico seco aparente, índice de vazios, grau de saturação, e da sucção inicial, para os grupos A e B são apresentados na Tabela 5.1 e na Tabela 5.2 respectivamente.
0 50 100 150 200 250
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
R
es
is
tê
ncia
não
dre
nada
(
kP
a)
Rotação da palheta (graus)
Tabela 5.1 - Resistência não drenada na ruptura do grupo de amostras A.
Ensaio w (%) (g/cm³) rd e S(%) Su (kPa) i (kPa)
A3 21 1,39 1,0 57,38 211 147
A6 23 1,39 1,0 64,38 193 103
A9 24 1,39 1,0 65,92 182 97
A12 28 1,37 1,0 75,46 133 55
A15 31 1,38 1,0 84,82 102 35
A18 34 1,37 1,0 92,20 70 20
Tabela 5.2 - Resistência não drenada na ruptura do grupo de amostras B.
Ensaio w (%) (g/cm³) rd e S(%) Su (kPa) i (kPa)
B3 21 1,32 1,1 52,25 154 146
B9 24 1,32 1,1 60,10 142 95
B12 28 1,31 1,1 69,17 109 53
B15 31 1,32 1,1 77,81 85 35
B18 34 1,31 1,1 84,45 61 22
5.1.2 Resistência não drenada para o grupo de amostras MV
Os resultados da resistência não drenada do grupo de amostras MV apresentaram um comportamento similar aos resultados obtidos no grupo de amostras A e B. Deste modo, a ruptura do solo com maiores valores de resistência correspondeu a corpos de prova compactados com menores umidades.
Figura 5.3 - Resistência não drenada versus rotação da palheta para o grupo de amostras MV1.
A Figura 5.4 apresenta a relação da resistência não drenada versus a rotação da palheta para o grupo de amostras MV2. Nos corpos de prova MV203 e MV213 foi impossível obter os dados de resistência para ângulos maiores que 40°, da mesma forma para o corpo de prova MV208 dados de resistência para ângulos maiores que 45° foram impossíveis de obter. Os corpos de prova MV203, MV218, MV223, alcançaram a resistência não drenada máxima quando a rotação da palheta foi de 35°, enquanto que para os corpos de prova MV208 e MV213, a resistência não drenada máxima foi alcançada quando a rotação da palheta foi de 40°.
0 50 100 150 200 250
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
R
es
is
tê
nc
ia
nã
o
dr
en
ad
a
(k
P
a)
Rotação da palheta (graus)
Figura 5.4 - Resistência não drenada versus rotação da palheta para o grupo de amostras MV2.
Os resultados da resistência não drenada máxima, assim como a umidade, peso especifico seco aparente, índice de vazios, grau de saturação, e da sucção inicial, para os grupos MV1 e MV2 são apresentados na Tabela 5.3 e Tabela 5.4 respectivamente.
Tabela 5.3 - Resistência não drenada na ruptura do grupo de amostras MV1.
Ensaio w (%) (g/cm³) rd e S(%) Su (kPa) i (kPa)
MV103 22 1,38 1,0 61,38 177 108
MV108 24 1,38 1,0 66,48 166 93
MV113 26 1,38 1,0 71,70 156 82
MV118 28 1,38 1,0 78,00 146 54
MV123 30 1,38 1,0 83,25 114 38
0 50 100 150 200 250
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
R
es
is
tê
nc
ia
nã
o
dr
en
ad
a
(k
P
a)
Rotação da palheta (graus)
Tabela 5.4 - Resistência não drenada na ruptura do grupo de amostras MV2.
Ensaio w (%) (g/cm³) rd e S(%) Su (kPa) i (kPa)
MV203 22 1,32 1,10 55,83 136 105
MV208 24 1,32 1,10 60,43 125 94
MV213 26 1,32 1,10 65,68 123 71
MV218 28 1,32 1,10 70,89 113 50
MV223 30 1,32 1,10 75,72 92 42
5.1.3 Resistência não drenada e distância do TAC à superfície inferior de ruptura da palheta
