IORHAN ASSUNÇÃO WAGNER
ANÁLISE DE ESTABILIDADE DE TALUDE DE REJEITO DE CARVÃO COMPACTADO SOB DIFERENTES CONDIÇÕES.
Palhoça 2018
IORHAN ASSUNÇÃO WAGNER
ANÁLISE DE ESTABILIDADE DE TALUDE DE REJEITO DE CARVÃO COMPACTADO SOB DIFERENTES CONDIÇÕES.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel.
Orientador: Prof. Cesar Schmidt Godoi, Ms.
Palhoça 2018
IORHAN ASSUNÇÃO WAGNER
ANÁLISE DE ESTABILIDADE DE TALUDE DE REJEITO DE CARVÃO COMPACTADO SOB DIFERENTES CONDIÇÕES.
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado à obtenção do título de Bacharel e aprovado em sua forma final pelo Curso de Engenharia Civil da Universidade do Sul de Santa Catarina.
AGRADECIMENTOS
Agradeço aos meus pais, João e Marlene por me incentivarem e nunca deixaram abalar pelas dificuldades impostas pela busca deste sonho, apoiando incondicionalmente.
Meus avós, Evaldo e Alzira que muitas vezes enquanto escrevia este trabalho e achava que estava na direção errada me confortaram.
A Franciele, pelo suporte nas dúvidas sobre a compreensão dos métodos laboratoriais.
A Juliana, pela solidariedade em momentos de reflexão.
A Mayara, pelas noites que foi a minha companheira enquanto escrevia, me incentivando.
Ao senhor Carlos Jose Botelho Berenhauser, pela oportunidade de estágio e ao conhecimento adquirido.
Aos meus cachorros, Billi e Rafih pelo companheirismo no silencio das noites. “Perdi algumas meias”.
Aos amigos que fiz ao longo do percurso, Francisco Carlos Martins e Jussara de F. Oliveira Galão.
Agradeço ao Professor Engenheiro Mestre Cesar Schmidt Godoi, meu orientador, pelo conhecimento que foi difundido, auxiliando a escolha do tema, sendo muito solicito em disponibilizar bibliografias, tornando a realização deste trabalho possível.
“Na medida em que vamos adquirindo mais conhecimento, as coisas se tornam menos compreensíveis e mais misteriosas.” (SCHWEITZER, Albert).
RESUMO
Realizar a análise de estabilidade de um talude de rejeito de carvão compactado sobre diferentes condições, indicar o número mínimo de ensaios e a influência da diminuição da quantidade do numero de ensaios ao preconizado em norma. Elaborar ensaios de granulometria, limites de Atterberg, densidade dos grãos e cisalhamento direto, avaliando a estabilidade de segurança do talude e o fator de segurança encontrado. Devido a inúmeras catástrofes ocorridos pela falta de análise de dados ou uma correta interpretação da mesma, utilizando o método determinístico pode-se obter os fatores de segurança e como reagem a diferentes índices de vazios. Os resultados obtidos foram satisfatórios, apontando incoerências na normativa, que deixam o profissional da área aberto a várias interpretações.
Palavras-chave: Análise Determinística. Estabilidade de Taludes. Fator de segurança. ABNT.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Zona Cisalhada, Zona Fraca e Superfície de Cisalhamento ... 21
Figura 2 - Deformação Normal ... 21
Figura 3 - Deformação Sob Tensão ... 22
Figura 4 - Cisalhamento - Curva Tensão por Deformação ... 23
Figura 5 - Tensões atuantes no solo... 26
Figura 6 - Simplificação na grande parte dos desafios Geotécnicos ... 26
Figura 7 - Estado de tensões com Tensões cisalhantes ... 27
Figura 8 - Método da origem dos planos ou método do pólo ... 28
Figura 9 - Método do pólo exemplificado em um gráfico ... 29
Figura 10 - Mecanismo de Resistência ... 29
Figura 11 - Embricamento ... 30
Figura 12 - Ângulo de Atrito- Quartzo, Argilomineral ... 32
Figura 13 - Ângulo de Atrito ... 32
Figura 14 - Coesão ... 33
Figura 15 - Parâmetros de Coulomb ... 35
Figura 16 - Critério de Mohr ... 35
Figura 17 - Envoltória de Mohr-Coloumb ... 36
Figura 18 - Influência da pressão neutra ... 37
Figura 19 - Tipos de Estruturas de solo ... 38
Figura 20 - Anisotropia dos solos ... 39
Figura 21 - Amostrador de parede, grossa, composta e fina ... 43
Figura 22 - Coleta de amostras ... 46
Figura 23 - Montagem do aparelho ... 46
Figura 24 - Moldagem e preparação do corpo de prova a ser analisado ... 46
Figura 25 - Esquema do ensaio de cisalhamento ... 47
Figura 26 - Arranjo para ensaio de cisalhamento ... 47
Figura 27 - Gráfico da tensão de cisalhamento e da variação da altura do corpo de prova em função da variação da altura do corpo de prova em função do deslocamento para areia seca, fofa e compacta. ... 48
Figura 28 - Tensão x Deslocamento ... 50
Figura 29 - Deslocamento Vertical ... 50
Figura 31 - Ensaio de Cisalhamento Direto em Solos Anisotrópicos ... 51
Figura 32 - Deformação Da Amostra ... 52
Figura 33- Magnitude e direção das tensões principais na ruptura ... 53
Figura 34 - Diagrama do equipamento de ensaio triaxial ... 54
Figura 35 - Envoltória de resistência obtida do ensaio de compressão triaxial ... 54
Figura 36 - Ensaio triaxial adensado drenado ... 56
Figura 37 - Mudança no volume de corpo de prova causada pela pressão de confinamento na câmara. ... 57
Figura 38 - aplicação da tensão desviadora ... 58
Figura 39 - Gráfico de tensão desviadora em função da deformação na direção da areia fofa e argila normalmente adensada ... 58
Figura 40 - Gráfico de tensão desviadora em função da deformação na direção da areia compacta e argila sobreadensada ... 59
Figura 41 - Envoltória de ruptura da tensão efetiva obtida dos ensaios drenados em areias e argilas normalmente adensada ... 59
Figura 42 - Envoltório de ruptura da tensão efetiva obtida dos ensaios drenados em areias compactadas e argilas sobreadensada ... 60
Figura 43 - Corpo de prova sob a pressão de confinamento nas câmaras ... 61
Figura 44 - Alteração do volume da amostra ocasionado pela pressão de confinamento ... 61
Figura 45 - Aplicação da tensão desviadora ... 61
Figura 46 - Tensão desviadora em relação a deformação axial para areias fofas e argilas normalmente adensadas ... 62
Figura 47 - Variação da poropressão com deformação axial para areia compacta e argila sobreadensada ... 62
Figura 48 - Envoltórias de ruptura de tensões efetiva e total para ensaios (CU). ... 63
Figura 49 - Círculo de Mohr da tensão Total e envoltória de ruptura ... 64
Figura 50 - Envoltória de Ruptura de Mohr-Coulomb do Ensaio Triaxial. ... 65
Figura 51 - Equipamento SPT ... 69
Figura 52 - Perfil Estratigráfico. ... 71
Figura 53- Laudo SPT ... 72
Figura 54 - Número de sondagens por área construída em projeção... 85
Figura 55 – Fluxograma da Metodologia do Trabalho ... 86
Figura 56 – Localização da área Analisada. ... 89
Figura 58 – Mapa geológico regional. ... 91
Figura 59 – Perfil Geológico. ... 92
Figura 60 – Perfil Estatigrafico. ... 94
Figura 61 – Graficos amostras 1 e 2. ... 95
Figura 62 – Graficos amostras 3 e 4. ... 95
Figura 63 – Graficos amostras 5 e 6. ... 96
Figura 64 – Graficos amostras 1 e 2. ... 97
Figura 65 – Graficos amostras 3 e 4. ... 97
Figura 66 – Graficos amostras 5 e 6. ... 98
Figura 67 – Graficos amostras 1 e 2. ... 98
Figura 68 – Graficos amostras 3 e 4. ... 99
Figura 69 – Graficos amostras 5 e 6. ... 100
Figura 70 – Graficos amostras 1 e 2. ... 100
Figura 71 – Graficos amostras 3 e 4. ... 101
Figura 72 – Graficos amostras 5 e 6. ... 102
Figura 73 – Graficos amostras 1 e 2. ... 103
Figura 74 – Graficos amostras 3 e 4. ... 103
Figura 75 – Graficos amostras 5 e 6. ... 104
Figura 76 – Limite de Liquidez 5 e 6. ... 105
Figura 77 – Limite de Plasticidade 5 e 6. ... 105
Figura 78 – Densidade Real dos Grãos 1 e 2. ... 106
Figura 79 – Densidade Real dos Grãos 3 e 4. ... 106
Figura 80 – Densidade Real dos Grãos 5 e 6. ... 107
Figura 81 – Série Normal e Intermédiaria. ... 107
Figura 82 – Limites das Frações do Solo pelo Tamanho dos Grãos Segundo a ABNT NBR 6502/1995. ... 108
Figura 83 – Granulometria das amostras 1 e 2. ... 108
Figura 84 – Granulometria das amostras 3 e 4. ... 109
Figura 85 – Granulometria das amostras 5 e 6. ... 109
Figura 86 – Fator de Segurança Obtido para Amostra Indeformada 1/2 Corpo de Prova 1. . 113
Figura 87 – Fator de Segurança Obtido para Amostra Indeformada 1/2 Corpo de Prova 2. . 113
Figura 88 – Fator de Segurança Obtido para Amostra Indeformada 1/2 Corpo de Prova 3. . 114
Figura 89 – Fator de Segurança Obtido para Amostra deformada 1/2 para emáx. ... 114
Figura 91 – Fator de Segurança Obtido para Amostra deformada 1/2 para emín, Corpo de Prova 1. ... 115 Figura 92 – Fator de Segurança Obtido para Amostra deformada 1/2 para emín, Corpo de Prova 2. ... 116 Figura 93 – Fator de Segurança Obtido para Amostra deformada 1/2 para emín, Corpo de Prova 3. ... 116 Figura 94 – Fator de Segurança Obtido para Amostra indeformada ¾, Corpo de Prova 1. ... 119 Figura 95 – Fator de Segurança Obtido para Amostra indeformada ¾, Corpo de Prova 2. ... 119 Figura 96 – Fator de Segurança Obtido para Amostra indeformada ¾, Corpo de Prova 3. ... 120 Figura 97 – Fator de Segurança Obtido para Amostra deformada ¾, para emáx. ... 120 Figura 98 – Fator de Segurança Obtido para Amostra deformada ¾, para eméd. ... 121 Figura 99 – Fator de Segurança Obtido para Amostra deformada ¾, para emín, corpo de prova1. ... 121 Figura 100 – Fator de Segurança Obtido para Amostra deformada ¾, para emín, corpo de prova 2. ... 122 Figura 101 – Fator de Segurança Obtido para Amostra deformada ¾, para emín, corpo de prova 3. ... 122 Figura 102 – Fator de Segurança Obtido para Amostra indeformada 5/6, Corpo de Prova 1. ... 125 Figura 103 – Fator de Segurança Obtido para Amostra indeformada 5/6, Corpo de Prova 2. ... 125 Figura 104 – Fator de Segurança Obtido para Amostra indeformada 5/6, Corpo de Prova 3 . ... 126 Figura 105 – Fator de Segurança Obtido para Amostra deformada 5/6, para emáx. ... 126 Figura 106 – Fator de Segurança Obtido para Amostra deformada 5/6, para eméd. ... 127 Figura 107 – Fator de Segurança Obtido para Amostra deformada 5/6, para emín, corpo de prova 1. ... 127 Figura 108 – Fator de Segurança Obtido para Amostra deformada 5/6, para emín, corpo de prova 2. ... 128 Figura 109 – Fator de Segurança Obtido para Amostra deformada 5/6, para emín, corpo de prova 3. ... 128
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1 - Modulo da Elasticidade ... 24
Equação 2 - Deformação Longitudinal ... 24
Equação 3 - Deformação Radial ... 25
Equação 4 – Coeficiente de Poisson ... 25
Equação 5 – Módulo Cisalhante ... 25
Equação 6 – Plano Principal Maior ... 27
Equação 7 – Plano Principal Menor ... 27
Equação 8 – Critério de Coulomb ... 34
Equação 9 – Envoltória de Ruptura de Mohr-Coulomb ... 36
Equação 10 – Principio das Tensões Efetivas ... 37
Equação 11 – Relação das Áreas do Amostrador ... 42
Equação 12 – Folga Interna ... 42
Equação 13 – Tensão Normal ... 49
Equação 14 – Tensão Cisalhante ... 49
Equação 15 – Parâmetro de Poropressão de Skempton ... 56
Equação 16 – Poropressão Total ... 64
Equação 17 – Fator de Segurança Local ... 76
Equação 18 – Probabilidade de Ruptura... 79
Equação 19 – Redução Progressiva dos Parâmetros de Resistência do solo... 82
Equação 20 – Redução Progressiva dos Parâmetros de Resistência do solo... 82
Equação 21 – Fator de Segurança Global de Talude ... 82
Equação 22 – Complemento da Equação 21 ... 83
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Dimensões de tubos de parede fina (shelby tube). ... 41
Tabela 2 - Diâmetros do amostrador de Denison ... 43
Tabela 3 - Valores Teóricos de B em saturação completa ... 57
Tabela 4 - Correlação entre Índice SPT e Natureza do Solo. ... 71
Tabela 5 - Características dos Métodos de Equilíbrio Limite não rigorosos... 77
Tabela 6 - Características dos Métodos de Equilíbrio Limite rigorosos ... 77
Tabela 7 - Importância da analise probabilística de estabilidade de taludes ... 79
Tabela 8 - Probabilidade de Ruptura (PR) Recomendada por USACE ... 80
Tabela 9 - Probabilidade de Ruptura (PR) Recomendada por Dell' Avanzi e Sayão ... 80
Tabela 10 - Probabilidade de Ruptura (PR) Recomendada por Santamarina ... 81
Tabela 11 – Nível de segurança desejado contra perda de vida humana. ... 110
Tabela 12 – Nível de segurança desejado contra Danos ambientais e materiais. ... 110
Tabela 13 – Fatores de Segurança. ... 110
Tabela 14 – Resultados Obtidos das Amostras 1 e 2. ... 112
Tabela 15 – Resultados Obtidos das Amostras 1 e 2. ... 117
Tabela 16 – Resultados Obtidos das Amostras 3 e 4. ... 118
Tabela 17 – Resultados Obtidos das Amostras 3 e 4. ... 123
Tabela 18 – Resultados Obtidos das Amostras 5 e 6. ... 124
Tabela 19 – Resultados Obtidos das Amostras 5 e 6. ... 129
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 17 1.1 TEMA ... 17 2 OBJETIVOS ... 18 2.1 OBJETIVO GERAL ... 18 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICO ... 18
2.3 PROBLEMA A SER RESOLVIDO ... 18
3 JUSTIFICATIVA ... 19
4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 20
4.1 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS ... 20
4.1.1 Processos de deformação ... 21
4.1.1.1 Tensões em um Elemento do Solo. ... 21
4.1.1.2 Relação Tensão e Deformação ... 22
4.1.1.2.1 Teoria da Elasticidade ... 23
4.1.1.3 Estado de Tensões- Plano de ruptura. ... 26
4.1.1.4 Método do Polo. ... 28
4.1.2 Mecanismos de Resistência dos Solos. ... 29
4.1.2.1 Embricamento... 30
4.1.2.2 Resistência Entre Partículas ... 31
4.1.2.2.1 Ângulo de Atrito ... 31
4.1.2.2.2 Coesão ... 32
4.1.3 Critérios de Ruptura. ... 33
4.1.3.1 Critério de Mohr-Coloumb ... 35
4.1.3.1.1 Influência da Pressão Neutra ... 37
4.1.4 Fatores que Influenciam na Resistência ao Cisalhamento ... 37
4.1.4.1 Condições de drenagem. ... 38
4.1.4.2 Velocidade do ensaio. ... 39
4.1.4.3 Direção do Ensaio... 39
4.1.4.4 Compacidade da amostra. ... 40
4.2 INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA ... 40
4.2.1 Coleta de Amostras Indeformadas ... 41
4.2.1.1 DNER-PRO 002/94 ... 41
4.2.1.2 NBR 9820/97 – Coleta de amostras indeformadas de solos de baixa consistência em
furos de sondagem. ... 44
4.2.1.2.1 Amostrador com pistão estacionário ... 44
4.2.1.2.2 Procedimento de amostragem com Amostrador com pistão estacionário ... 44
4.2.1.3 Comparação entre DNER-PRO 002/94 e NBR9820/97 ... 44
4.3 ENSAIOS LABORATORIAIS PARA AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS. ... 45
4.3.1 Ensaio de Cisalhamento direto... 45
4.3.1.1 Preparação do ensaio. ... 45 4.3.1.2 Fase de consolidação ... 49 4.3.1.3 Fase de cisalhamento. ... 49 4.3.1.4 Resultados típicos ... 50 4.3.1.5 Vantagens ... 51 4.3.1.6 Desvantagens ... 51
4.3.2 Ensaio de Cisalhamento Triaxial ... 53
4.3.2.1 Preparação do ensaio. ... 55
4.3.2.2 Consolidação do ensaio. ... 55
4.3.2.3 Fase de cisalhamento ... 55
4.3.2.4 Ensaio Drenado (CD) ... 56
4.3.2.5 Ensaio Adensado não Drenado (CU). ... 60
4.3.2.6 Ensaio não drenado (UU) ... 63
4.3.2.7 Resultado Típico ... 65
4.3.2.8 Vantagens ... 65
4.3.2.9 Desvantagens ... 66
4.3.3 Ensaio de Campo ... 66
4.3.3.1 Métodos de Perfuração ... 67
4.3.3.2 Ensaio (Standart Penetration Test) SPT. ... 68
4.3.3.2.1 Equipamento para o ensaio (Standart Penetration Test) SPT. ... 69
4.3.3.2.2 Procedimento para o ensaio (Standart Penetration Test) SPT. ... 70
4.3.3.2.3 Resultados Típicos para o ensaio (Standart Penetration Test) SPT. ... 72
4.3.3.2.4 Vantagens ... 73
4.3.3.2.5 Desvantagens ... 73
4.3.3.2.6 Normatizações ... 73
4.4 MÉTODOS PARA AVALIAÇÃO DA ESTABILIDADE DE TALUDES... 74
4.4.1 Método do Equilíbrio Limite ... 75
4.4.1.1 Método Determinístico. ... 78
4.4.1.2 Método Probabilístico. ... 78
4.4.1.3 Método de análise de tensões (Elementos Finitos)... 81
4.4.1.3.1 Método direto: simulação de colapsos. ... 81
4.4.1.3.2 Método indireto: Equilíbrio Limite aperfeiçoado. ... 82
4.5 CONSIDERAÇÕES SOBRE O NÚMERO DE AMOSTRAS CONFORME A NBR 11.682/2009. ... 83
5 METODOLOGIA ... 86
5.1 PESQUISA TEÓRICA ... 86
5.2 ÁREA DE ESTUDO ... 87
5.3 OBTENÇÃO DOS DADOS ... 87
5.4 PARÂMETROS DOS MATERIAIS ... 87
5.5 ANÁLISE DE ESTABILIDADE ... 88
5.5.1 Método determinístico ... 88
6 ÁREA DE ESTUDO ... 89
6.1 APRESENTAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDOS ... 89
6.2 DESCRIÇÃO DA GEOLOGIA. ... 90 7 RESULTADOS ... 93 7.1 TALUDE ANALISADO. ... 93 7.2 PARÂMETROS GEOTÉCNICOS. ... 93 7.2.1 Ensaios de Campo. ... 93 7.2.1.1 Ensaio SPT ... 93 7.2.2 Ensaios de Laboratório. ... 94 7.2.2.1 Cisalhamento Direto. ... 94 7.2.2.2 Compactação. ... 102
7.2.2.3 Limite de Plasticidade e Limite de Liquidez ... 104
7.2.2.4 Densidade Real dos Grãos. ... 105
7.2.2.5 Granulometria. ... 107
7.3 ANÁLISES DE ESTABILIDADE ... 110
8 CONCLUSÃO ... 132
8.1 RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS. ... 134
1 INTRODUÇÃO
Em numerosas narrativas que se sucederam no perpassar do tempo, diversas catástrofes englobando deslizamentos e rupturas de taludes ocorreram, no entanto semelhantes, pela irreflexão e imprudência tanto na análise de dados, como redução do orçamento e planejamento da área a ser usufruída, tendo como consequência prejuízos a vida humana, econômicos e sociais.
Com o propósito de prevenir e ou sanar possíveis casualidades, é de grande importância realizar análises de estabilidade de taludes.
Embasados nas normativas vigentes, avaliando a possibilidade de ocorrer um movimento de massa de solo, fazendo com que o limite da segurança não seja ultrapassado. Onde as mesmas têm o intuito de promover a padronização dos procedimentos e segurança daqueles que farão parte do dia a dia do empreendimento.
Para a realização de um estudo de taludes, é necessário abranger diversos princípios, a exemplo, da correta definição dos parâmetros de resistência ao cisalhamento de solo do local a ser analisado, parâmetros estes que podem ser obtidos por estudos laboratoriais ou de campo. Com o uso de metodologias de cálculo, e adequadas ferramentas de análise, além do discernimento dos valores e resultados, é possível definir a segurança de um talude. como ferramenta de análise e o discernimento dos valores e informações coletados, podendo desta forma definir se um talude é seguro.
Como um dos objetivos deste trabalho, ponderando o conteúdo abrangido e as normativas a serem analisadas, tendo em vista o estudo e coleta de amostras de um talude, visando às normativas regentes, e a análise de dados por meios determinísticos e estatísticos.
Comparando o resultado obtido entre o número de amostras relacionando o fator de segurança e suas consequências.
1.1 TEMA
Considerações sobre a NBR 11682/2009, em relação à quantidade de amostras nas análises de estabilidade de taludes, considerando um estudo amostral para averiguação de estabilidade de taludes.
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Realizar um estudo de estabilidade de um talude, considerando seguir a metodologia indicada em norma.
Em relação ao número mínimo, e avaliando a influência na diminuição da quantidade de ensaios, em referência ao mínimo preconizado em norma, situação comumente utilizada em projetos.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICO
Avaliar a quantidade de ensaios mínimo conforme a normativa;
Realizar ensaios de laboratório, tais como: granulometria, limites de liquidez e plasticidade, densidade dos grãos, cisalhamento direto;
Analisar estabilidade de talude;
Avaliar a influência no Fator de Segurança do talude para diferentes números de ensaios;
Comparar a normativa 11682/2009 com outras normativas similares.
2.3 PROBLEMA A SER RESOLVIDO
Demonstrar como a utilização inadequada do número de ensaios, em uma análise de estabilidade de talude, pode originar fatores de segurança imprecisos, visando apenas a economia na investigação.
A defasagem de investigação ou uma lesiva interpretação de dados tem como consequência, projetos que não atendem aos requisitos mínimos, atrasos, aumento de custos, devido as modificações e remediações, considerando que os dados coletados e seus resultados são documentos de projetos, às vezes, insuficientes.
3 JUSTIFICATIVA
Taludes podem ser naturais ou oriundos de aterros e cortes, é uma porção de solo e/ou rocha inclinado em um plano que delimita um platô, com o risco de movimentações, desta forma o mesmo deve passar por uma análise de estabilidade seguindo as normativas vigentes.
A elaboração e disponibilização de uma normativa servem para criar um padrão construtivo e seguro, no entanto com o passar do tempo estas normas são redefinidas e órgãos públicos ou privados criam regras baseadas nas normas existentes.
A normativa vigente recomenda um número mínimo de amostras a ser coletada e ensaiada. Porém, visando a economia nas fases iniciais e o “lucro final do empreendimento”.
Desta forma são coletadas e ensaiadas amostras abaixo do mínimo, tendo como consequência uma falsa redução ou aumento do fator de segurança, junto com minoração ou majoração do custo da obra, ao se coletar e analisar de maneira incorreta.
Diante da defasagem entre a teoria da norma e a prática, adotou-se analisar a variação de resultados e a sua implicância, quando são coletadas amostras de solo, abaixo ou acima do valor mínimo de norma, verificando a estabilidade frente a inúmeros fatores.
4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O conteúdo deste capítulo descreve os detalhamentos dos parâmetros essenciais e ensaios laboratoriais para a análise de um talude, assim como as condições e análise de estabilidade do mesmo.
4.1 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS
Estabelece-se como resistência ao cisalhamento do solo, a maior força aplicada de cisalhamento sobre uma estipulada área de solo, que o mesmo pode resistir sem chegar ao ponto de ruptura, ou a tensão de cisalhamento no sentido do plano que a ruptura ocorre.
Este conceito é de ampla importância para a área da geotecnia. A estabilidade de taludes seguindo a normativa NBR11682/2009, que será apresentado neste trabalho, acolhe este conceito, sendo apenas um dos tópicos abrangidos a resistência do cisalhamento.
Segundo Gerscovich (2010): “A ruptura em si é caracterizada pela formação de uma superfície de cisalhamento contínua de massa de solo.”.
Isto é, quando uma camada do solo perde suas propriedades devido a ações de caráter natural ou artificial, ela acaba ocasionando uma região de instabilidade. Esta região se denomina, zona cisalhada, no decorrer do processo de ruptura, não resiste as tensões empregadas, desabando por uma superfície de cisalhamento.
Sintetizando, o deslizamento acontecerá no fato de as tensões cisalhantes forem maiores que a resistência ao cisalhamento do solo. Como pode ser verificado na figura 1.
“A capacidade de uma massa de solo suportar cargas e conservar sua estabilidade depende da resistência ao cisalhamento do solo. Essa massa de solo se rompe quando esta resistência é excedida, e importantes problemas de engenharia de solos depende dessa resistência, como estabilidade de taludes, empuxos de terra sobre paredes de contenção, entre outros”. (CAPUTO, 1988).
Figura 1- Zona Cisalhada, Zona Fraca e Superfície de Cisalhamento
Fonte: LEROUEIL (2001), GERSCHOVICH (2010)
4.1.1 Processos de deformação
As alterações sofridas pelo solo sucedem-se de duas maneiras, através da locomoção e fragmentação entre partículas.
Sendo que as duas ações ocorrem simultaneamente, todavia, a proporção destas alterações, sucede em grande maioria das ocasiões, pela movimentação entre as partículas, fomentada por deslizamento ou rolamento de grãos.
4.1.1.1 Tensões em um Elemento do Solo.
A compreensão das tensões presentes em um maciço de terra, é indispensável para a compreensão do comportamento dos solos.
Essas tensões são derivadas do peso próprio ou de um carregamento na superfície, ou ainda pelo aumento de cargas estimulado por escavações.
A deformação normal é oriunda do aumento da tensão de compressão, sendo capaz de acarretar deformações volumétricas, conforme se pode observar na Figura 2.
Figura 2 - Deformação Normal
“As deformações volumétricas geradas pela compressão isotrópica são geradas pela alteração de posição das partículas. Neste processo as partículas sofrem rolamento e deslizamento relativo, mobilizando tensões cisalhantes nos contatos. Entretanto, ao longo de um plano, estas tensões cisalhantes se anulam. Isto é, apesar da existência de tensões cisalhantes nos contatos entre partículas, a tensão cisalhante em qualquer Plano é nula”. (GERSCOVICH, 2010).
Tensão cisalhante é oriunda de forças empregadas em sentidos iguais ou opostos, na deformação sob cisalhamento do solo, ocorrem-se deformações cisalhantes, de expansão ou compressão. Figura 3.
Figura 3 - Deformação Sob Tensão
Fonte: HOLTZ(1994).
4.1.1.2 Relação Tensão e Deformação
Tendo os solos uma natureza mais complexa que os demais materiais, a conexão entre tensões e deformações variam de acordo com seus componentes e propriedades.
Analisando a curva de tensão e deformação, apresenta-se características não-lineares, sendo assim a interpretação do modulo de deformabilidade (E) vai destacar a divergência que ocorre com a variação de tensão-deformação.
Segundo Caputo (1996) “O comportamento do material, quando carregado, depende, naturalmente, das tensões nele instaladas. Assim, se, aumentando as tensões, as deformações crescem proporcionalmente”.
Analisando a Figura 4, a qual demonstra a utilização dos módulos secante (Ei’), tangente inicial (Es’), está ligado a ruptura.
Figura 4 - Cisalhamento - Curva Tensão por Deformação
Fonte: GERSCHOVICH (2010)
4.1.1.2.1 Teoria da Elasticidade
Segundo Romanini (2017), “Teoria da Elasticidade (relação tensão-deformação do solo é dada pela Lei de Hooke - material de comportamento linear elástico, homogêneo e isótropo)”.
Permite-se que o solo, atue de forma elástica, isto é, quando cessada a origem das tensões, cessa a deformação, voltando à posição de início.
De acordo com esta tese, consegue-se analisar as tensões atuantes que ocorrem no interior do solo, oriundo dos carregamentos aplicados na região.
Devido ao comportamento dos solos, há uma proporcionalidade entre as tensões e deformações. Obtendo-se parâmetros como Coeficiente de Poisson (ν), Modulo Cisalhante (G) e Modulo de Elasticidade (E)- podendo ser secante ou tangente.
Conforme Carlos Souza Pinto, (2000):
“O emprego de Teoria da elasticidade aos solos é questionável, pois o comportamento dos solos não satisfaz aos requisitos de material elástico, principalmente no que se refere a reversibilidade das deformações quando as tensões mudam de sentido. Entretanto, quando ocorrem somente acréscimos de tensão, justifica-se a aplicação da
teoria. Por outro lado, até determinado nível de tensões, existe uma certa proporcionalidade entre as tensões e as deformações, de forma que se considera um Módulo de Elasticidade constante como representativo do material. Mas a maior justificativa para a aplicação da Teoria de Elasticidade é o fato de não de dispor ainda de melhor alternativa e, também, porque ela tem apresentado uma avaliação satisfatória das tensões atuantes no solo, pelo que se depreende da análise de comportamento de obras”.
Segundo a lei de Hooke, o comportamento do material pode ser estipulado por três constantes: módulo de elasticidade ou modulo de Young (E), coeficiente de Poisson () e módulo cisalhante (G).
O modulo de Young, conhecido como Modulo da elasticidade (E), determina a relação que existe entre a tensão normal e a deformação oriunda dessa tensão em sua direção. Como mostrado na equação 1.
Equação 1 - Modulo da Elasticidade 𝐸 =𝜎
𝜀
E:Modulo da Elasticidade
𝜎: 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙
𝜀:Deformação.
Deformação longitudinal ocorre quando uma força é aplicada sobre um corpo com um comprimento inicial, acarretando em uma variação de comprimento. Como se pode demonstrar na Equação 2.
Equação 2 - Deformação Longitudinal 𝜀𝐿 =∆𝑧
𝑧
𝜀𝐿: 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎çã𝑜 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎𝑙
∆𝑧: 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎çã𝑜 𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑧 = 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐼𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎
Deformação radial segue o mesmo processo da deformação longitudinal, um corpo com um comprimento inicial que após uma força aplicada sobre o mesmo sofre uma variação de comprimento. Como apresentado na Equação 3.
Equação 3 - Deformação Radial 𝜀𝑅 =∆𝑥 𝑥 𝜀𝑅: 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎çã𝑜 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑎𝑙 ∆𝑥 = 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑥: 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐼𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
O coeficiente de Poisson, é obtido através da relação da deformação lateral (radial) e longitudinal (axial), esta relação denota um sinal negativo, oriundo das deformações que ocorrem em sentido contrário. Como se demonstra na Equação 4.
Equação 4 – Coeficiente de Poisson
𝜈 = −𝜖𝑅 𝜀𝐿
𝜈: 𝐶𝑜𝑒𝑓í𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑃𝑜𝑖𝑠𝑠𝑜𝑛 𝜀𝑅: 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎çã𝑜 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑎𝑙 𝜀𝐿: 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎çã𝑜 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎
Para a obtenção do módulo de cisalhante se deve aplicar a Equação 5. Equação 5 – Módulo Cisalhante
𝐺 = 𝐸
2(1 + 𝜈)
𝐺: modulo de Cisalhante 𝐸: módulo de elasticidade
4.1.1.3 Estado de Tensões- Plano de ruptura.
Nos planos onde, se ocasiona as tensões normais máximas ou ϭ1(tensão principal máxima) e ϭ3(tensão principal mínima), conhecidas se transcreve o círculo de MOHR.
Esclarece Godoi (2016):
“Quando não há tensões cisalhantes atuando no plano, é possível definir as tensões principais σ1 e σ3, importantes referências para o traçado do círculo de Mohr, além de representarem a maior e menor tensões normais atuantes para um determinado estado de tensões”.
As tensões atuantes podem ser exemplificadas de forma simplificada, sendo usual esta simplificação na grande parte dos desafios geotécnicos nas respectivas, Figuras 5 e 6.
Figura 5 - Tensões atuantes no solo
Fonte: Gitirana Jr (2015)
Figura 6 - Simplificação na grande parte dos desafios Geotécnicos
Quando não ocorrem as tensões cisalhantes, as tensões normais não se encontram mais como as principais (σα). Como pode ser demonstrado na Figura 7.
Figura 7 - Estado de tensões com Tensões cisalhantes
Fonte: Holtz (1994).
Caputo cita;
“[...]como sabemos, que no plano que forma o ângulo a com o plano principal maior, a tensão de cisalhamento atingiu a resistência ao cisalhamento. Nessas condições a ruptura do material está iminente no ponto P, e segundo o plano que forma o ângulo a. Se esta condição de ruptura incipiente existe em todos os pontos da massa de solo, diz-se que ela está em um estado de equilíbrio plástico”.
O valor Máximo de tensão cisalhante pode mudar, concomitantemente, as tensões normais são de α=45º, pelo raciocínio de Mohr-Coulomb, a ruptura do solo irá ocorrer quando esta disparidade alcançar a Equação 6, para o plano principal maior ou, a Equação 7 para o plano principal menor.
Equação 6 – Plano Principal Maior 𝛼 = 45 +𝜑
2
Equação 7 – Plano Principal Menor 𝛼 = 45 −𝜑
2 𝛼 = â𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜
4.1.1.4 Método do Polo.
O Método do pólo pode ser intitulado como método da origem dos planos, quando definido a intersecção dos planos de atuação (pólo), utilizando as tensões normais e cisalhantes conhecidas.
O traçado apropriado sai do pólo cortando um ponto, sendo conhecido como círculo de Mohr, concedendo a tensão normal e tensão cisalhante proporcional ao plano (horizontal e vertical).
Para Godoi, “O método do pólo é uma solução alternativa para obtenção das tensões atuantes ao longo de um plano qualquer, a partir do pólo (P) representado por um ponto no círculo de Mohr”. O método do pólo pode ser representado na Figura 8 e Figura 9.
Figura 8 - Método da origem dos planos ou método do pólo
Fonte: Holtz (1994)
De acordo com Gerscovich (2010):
“Ponto do círculo de Mohr que correlaciona estado de tensões (σ, τ) com a inclinação do plano correspondente. Por exemplo, a reta horizontal que passa pelo Pólo indica que as tensões σf, τf atuam no plano horizontal; σ1 e σ3 atuam em planos inclinados. Para definir a posição do Pólo, basta conhecer um estado de tensões e em que plano atua”.
Figura 9 - Método do pólo exemplificado em um gráfico
Fonte: Espíndola (2011)
4.1.2 Mecanismos de Resistência dos Solos.
Segundo GERSCOVICH (2010), A resistência ao cisalhamento é função de dois componentes: embricamento e resistência entre partículas.
O embricamento entre as partículas é mais comum em solos de origem arenosa, e a resistência que ocorre entre as partículas tem uma forma mais direta. Esse Mecanismo pode ser analisado na Figura 10.
Figura 10 - Mecanismo de Resistência
4.1.2.1 Embricamento
Gerscovich (2010) esclarece:
“O embricamento é definido com o trabalho necessário para movimentar a partícula ascendentemente. No caso do solo fofo os grãos movimentam-se horizontalmente, sendo mobilizada a resistência entre grãos. Já no caso do solo denso existe um trabalho adicional para superar o embricamento entre partículas, causando necessariamente uma expansão volumétrica durante o cisalhamento (dilatância). Assim, quanto mais denso for o solo, maior a parcela de interlocking e, consequentemente, maior a resistência do solo”.
Para o cisalhamento de areias fofas não é necessário a aplicação de uma força elevada, já que as partículas se movimentam horizontalmente, o que facilita o deslizamento entre os grãos.
Em solos compactos (densos), aonde existe maior resistência, devido a travamento entre as partículas, sendo necessário a aplicação de uma força mais intensa, para transpor a resistência.
A Figura 11 demonstra de uma forma simplificada, que quanto menor for a resistência do solo, menor sua resistência ao embricamento.
Caputo (1988), esclarece:
“Sob a denominação genérica de atrito interno de um solo, inclui-se não só o “atrito físico” entre suas partículas, como o “atrito fictício” proveniente do entrosamento (embricamento ou interlocking) dos grãos; nos solos não existe uma superfície nítida de contato, ao contrário, há uma infinidade de contatos pontuais”.
Figura 11 - Embricamento
4.1.2.2 Resistência Entre Partículas
Atualmente, existem vários modelos distintos do comportamento dos solos, como Cam Clay, Lade-kim, Drucker Prager e outros, o modelo constitutivo mais utilizado se baseia na teoria de Coulomb.
Assumindo que o solo a ser analisado, seja um material que se comporte de acordo com a teoria de Coulomb, onde a resistência ao cisalhamento de uma superfície, no qual ocorre um deslizamento.
Assim demonstrada por parâmetros de resistência ao cisalhamento dos solos, que são dados por termos de coesão (c) e ângulo de atrito (φ).
4.1.2.2.1 Ângulo de Atrito
Segundo Pinto (2015), “[..], o ângulo de atrito é formado pela resultante das forças com a força normal, O ângulo de atrito também pode ser entendido como o ângulo máximo que a força transmitida pelo corpo a superfície pode fazer com a normal ao plano de contato sem que ocorra deslizamento”.
Ocorre uma divergência, na ocorrência do atrito dos solos e do atrito entre dois corpos, isso se deve ao fato que a movimentação envolve uma grande quantidade de partículas, que são capazes de escorregar entre si, onde no percurso vão se acondicionando nos vazios que encontram.
Esclarece Pinto (2015), “Existe também uma diferença entre as forças transmitidas nos contatos entre os grãos de areia e os grãos de argila”.
Quando ocorre o contato entre as partículas de areia, as forças que são difundidas são suficientes para expelir a água da superfície, ocasionando o real contato entre os minerais.
Nas argilas, existe uma quantidade superior de partículas, sendo assim a força difundida em cada contato é reduzida. Como pode ser analisado na Figura 12.
Figura 12 - Ângulo de Atrito- Quartzo, Argilomineral
Fonte: PINTO (2015).
“A resistência entre partículas pode ser vista por analogia à lei de Coulomb que define resistência ao deslizamento de um corpo rígido sobre uma superfície plana [...]. No momento do deslizamento a tensão tangencial se iguala à resistência ao cisalhamento; [...]” (GERSCOVICH, 2010).
O atrito se resume a uma força que resiste ao sentido oposto da força aplicada, lembrando que este atrito é oriundo apenas do contato partícula-partícula, sendo dependente da tensão normal e ângulo de atrito. Como pode ser explanado na Figura 13.
Figura 13 - Ângulo de Atrito
Fonte: GERSCOVICH (2010)
4.1.2.2.2 Coesão
Para Godoi (2017), diz. “O mecanismo da coesão se assemelha a uma “cola” atuante entre as partículas. Esse mecanismo é na realidade uma ligação cimentada entre as partículas, e assim, independente da tensão normal atuante no solo”.
Segundo Gerscovich (2010), informa, “[...], a presença de uma ligação entre partículas faz com que o esforço necessário para movimentação relativa do bloco seja aumentado de uma parcela que independe da tensão normal, denominada coesão”.
Barata (1984), expressa, “Coesão é uma característica típica dos solos muito finos (argilas e siltes plásticos), diretamente ligada à consistência e oriunda da atração (decorrente da presença de meniscos de água nos contatos) entre os grãos do material”.
Pinto (2015), diz, “[...], A atração química entre essas partículas pode provocar uma resistência independente da tensão normal atuante no plano e constitui uma coesão real, como se uma cola tivesse sido aplicada entre dois corpos”. Como demonstrado na Figura 14.
Figura 14 - Coesão
Fonte: GERSCOVICH (2010)
De uma forma ampla, a coesão em solos sedimentares é reduzida perante a resistência ao atrito entre as partículas, no entanto existem solos que são naturalmente coesos.
Existe a coesão real e aparente, a real é apenas uma fração da resistência ao cisalhamento, de solos úmidos e não saturados, oriundo a tensão entre as partículas que se originam da pressão capilar da água.
Já a aparente é um fenômeno oriundo da tensão superficial da água nos capilares do solo, gerando água entre as partículas dos solos que estão parcialmente saturados, tendendo a aproximar as partículas.
4.1.3 Critérios de Ruptura.
Caputo (1988), diz, “Critérios de ruptura - Os critérios ou hipóteses de ruptura dos materiais, com base em especulações teóricas ou em informações experimentais, estabelecem as condições de ruptura dos materiais”. Vários são os critérios existentes
O Critério de ruptura é definido através da combinação dos fatores que se acarretam na ruptura. Conforme o critério adotado, elabora-se uma curva de tensão por deformação, gerando assim uma envoltória, sendo possível interpretar e analisar os estados da tensão normal.
Gerscovich (2010) cita, “[...] estados de tensão inferiores aos da envoltória correspondem a situações de estabilidade. A região acima da envoltória corresponde a estados de tensão impossíveis de ocorrer”.
A ruptura é decorrente da igualdade entre a, tensão de tração e a tensão normal máxima.
O método de Rankine estabelece que, a movimentação de um solo se dá em limites plásticos.
Na ocasião que ocorre as rupturas, revelam-se infinitos planos de ruptura, tendo como consequência a plastificação de toda a área do talude. As hipóteses a serem analisadas desta teoria são; solo homogêneo, ruptura que ocorre em todo o talude, a força do empuxo é paralela à superfície da terra, solo isotrópico.
Tresca define, “que a ruptura se sucede quando a tensão de cisalhamento se equivale à tensão de cisalhamento máxima”.
No entanto, segundo Pinto (2015), “[...], os critérios de ruptura que melhor representam o comportamento dos solos são os de Coulomb e Mohr”.
“A teoria de Coulomb baseia-se na hipótese de que o esforço exercido no paramento do muro é proveniente da pressão do peso parcial de uma cunha de terra, que desliza pela perda da
resistência a cisalhamento ou atrito”. (MOLITERNO, 1980, p. 8).
Não existe ruptura se tensão de cisalhamento não transpor um valor obtido. A Equação 8 representa os critérios de Coulomb, e visualizado na Figura 15 os parâmetros de Coulomb.
Equação 8 – Critério de Coulomb = c + f. σ
= Tensão cisalhante 𝑐 = 𝐶𝑜𝑒𝑠ã𝑜
𝑓 = Â𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝐴𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝜎 = 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙.
Figura 15 - Parâmetros de Coulomb
Fonte: Pinto (2015).
O critério de Mohr, pode ser concludente do modo que, não ocorre ruptura ao mesmo tempo. Como se pode analisar a Figura 16.
Figura 16 - Critério de Mohr
Fonte: Pinto (2015).
O círculo onde demonstra os estados de tensões, se encontra no interior de uma curva, denominada envoltória dos círculos, referente a estados de ruptura.
4.1.3.1 Critério de Mohr-Coloumb
Segundo Pinto (2015):
“Envoltórias curvas são de difícil aplicação. Por essa razão, as envoltórias de Mohr são frequentemente substituídas por retas que melhor se ajustam a envoltória. [...], ao fazer uma reta como a envoltória de mohr, seu critério de resistência, fica análogo ao de Coloumb, justificando a Expressão ‘Critério de Mohr-Coloumb’”.
Caputo (1988,) aduz:
“Critério de Mohr-Coulomb - Este critério, assim denominado por muitos autores, é na realidade um caso particular do critério de Mohr, supondo-se na equação τ = f (σ) uma variação linear entre esses esforços”.
O critério de Mohr-Coloumb, é o que mais popular, devido a simplicidade que o mesmo representa o comportamento dos solos. Que se expressa em uma envoltória linear, que tangencia o círculo de Mohr, representando as condições críticas dos esforços principais. Demonstrado na figura 17.
Figura 17 - Envoltória de Mohr-Coloumb
Fonte: Pinto (2015).
Godoi (2017) diz:
“[...] um material não sofre ruptura se atingir a tensão máxima cisalhante ou normal isoladamente, mas sim quando estas estiverem combinadas de modo que alcancem conjuntamente determinado valor para romper o material, em um determinado plano”.
Segundo Gerscovich (2010).
A envoltória de Mohr Coloumb tangencia o círculo de mohr em um plano diferente do plano de τ max. No plano de ruptura as tensões atuantes são σnf e τt. A ruptura ocorre neste plano como resultado de uma combinação de efeitos. No plano de τmax, apesar da tensão cisalhante ser maior que τf, a tensão normal, atuante neste plano, (σ=(σ1+σ3)/2) também é superior à σnf, garantindo a estabilidade nesta direção. Em outras palavras, a tensão máxima de cisalhamento não define a ruptura e sim uma combinação de tensões.
Esta envoltória é representada pela Equação 9
Equação 9 – Envoltória de Ruptura de Mohr-Coulomb 𝜏 = 𝑐 + 𝜎. 𝑡𝑔𝜑
𝜏 = 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝐶𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑐 = 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑡𝑜 𝐶𝑜𝑒𝑠𝑖𝑣𝑜
𝜎 = componente de tensão que atua perpendicular ao plano de ruptura 𝜑 = Â𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜
4.1.3.1.1 Influência da Pressão Neutra
Pressão neutra ou poro pressão, corresponde à força que a água exerce sobre o solo, sendo a alternância das condições de água no subsolo, podendo ocorrer elevação ou rebaixamento do nível de água.
Conforme ocorre a variação da pressão neutra, o círculo de Mohr pode ser transposto, para a direita ou para esquerda. A figura 18 explana melhor este deslocamento.
Figura 18 - Influência da pressão neutra
Fonte: Pinto (2015)
A pressão neutra pode ser demonstrada pela equação 10.
Equação 10 – Principio das Tensões Efetivas 𝜎 = 𝜎` + 𝑢
𝜎 = 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝜎` = 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝐸𝑓𝑒𝑡𝑖𝑣𝑎 𝑢 = 𝑃𝑜𝑟𝑜𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 4.1.4 Fatores que Influenciam na Resistência ao Cisalhamento
Quando se analisa a resistência ao cisalhamento, se deve levar em perspectiva alguns fatores que podem afetar a resistência do solo, aumentando-as ou diminuindo-as.
Esses fatores são; Condições de drenagem, Velocidade de ensaio, direção do ensaio e compacidade da amostra.
4.1.4.1 Condições de drenagem.
A estrutura dos solos desempenha, uma grande influência sobre a drenagem do próprio, podendo ser caracterizado pela sua estrutura.
Que pode ser do modo, prismático, maciço, grãos simples, granular, lâminas e blocos. Conforme a Figura 19 pode exemplificar.
Figura 19 - Tipos de Estruturas de solo
Fonte: Capeche (2008)
Salemi (2009) conceitua:
“[...], os poros entre agregados são os poros grandes que permitem rápida drenagem (alta percolação) de água no perfil. Assim, solos que apresentam a estrutura do tipo granular e em grãos simples, geralmente, por possuírem grande quantidade de poros, possuem drenagem classificada entre alta a excessiva, [...], de maneira oposta, solos com estruturas do tipo maciça e laminar apresentam baixo espaço poroso entre agregados. Desse modo, tais solos geralmente apresentam problemas de excesso de água devido à drenagem ser muito baixa, ou seja, lenta, [...], de modo intermediário, solo com estrutura prismática ou em blocos apresentam drenagem moderada pois apresentam poros em uma situação intermediária entre os solos bem drenados e os males drenados acima expostos. Cabe mencionar aqui que se os solos apresentarem estrutura prismática grande a muito grande, eles tenderão a serem solos mais mal drenados do que bem drenados”.
A condição de drenagem tem influência direta a pressão neutra e assim por consequência, na tensão efetiva.
4.1.4.2 Velocidade do ensaio.
A velocidade em que o ensaio é realizado, tem influência direta na resistência ao cisalhamento, ilustrando um solo argiloso, que pode ter um comportamento drenante, se a velocidade ao qual a carga foi aplicada for lenta, e se for aplicada muito rápido ocasiona um comportamento não drenante.
Em solos de origem arenosa, é preciso a aplicação de uma carga significante e rápida, para que não ocorra um comportamento drenante, já que o excesso da pressão neutra desaparece rapidamente ou nem ocorre.
4.1.4.3 Direção do Ensaio.
Anisotropia é a propriedade física, que cada material nesse caso, solo, possui quando ocorre a variação de direção. Como pode ser analisado na Figura 20.
Figura 20 - Anisotropia dos solos
Fonte: Gerscovich (2010)
Segundo Casagrande e Carrillo (1944), “Duas formas significativas distintas de anisotropia podem ser observadas nos solos. Estas podem ser denominadas ‘anisotropia inerente’ e ‘anisotropia induzida’.
GERSCOVICH (2010) conceitua:
“A anisotropia inerente foi definida como uma “característica inerente do material e completamente independente das solicitações aplicadas, resultante do próprio processo de deposição/sedimentação e formação do material, além de suas características mineralógicas. Do contrário, a anisotropia induzida foi definida como sendo “uma característica física devida exclusivamente às deformações associadas com tensões aplicadas”. Por definição, ela é uma parte essencial do processo de deformações de um solo, no entanto sua compreensão é dificultada pelo fato de que o estudo desta característica ser controlado pela rotação das tensões principais durante o cisalhamento. Dependendo da solicitação imposta, as magnitudes e direções das tensões principais variam”.
4.1.4.4 Compacidade da amostra.
Caputo (2010), aduz:
“O estado natural de um solo não coesivo (areia, pedregulho) define-se pelo chamado grau de compacidade, compacidade relativa ou densidade relativa. Lembrando que a compacidade demonstrada pelo solo analisado é diretamente proporcional ao ângulo de atrito”.
A compacidade relativa é formada por índice, para a determinação do grau de compactação de material granular, não coesivo.
Quando um solo denota uma compacidade relativa em cem por cento, isso representa que o mesmo está em máxima compacidade, ocasionando índices de vazios mínimos, caso sua compacidade relativa seja zero, o índice de vazio é máximo.
4.2 INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA
O intuito da investigação geotécnica, está filiado ao perfil do projeto, durante o estudo geotécnico, se deve analisar as condições favoráveis e desfavoráveis. Escolhendo os parâmetros que vão ser observados, durante a construção, e a vida útil do projeto ou, caso necessário encontrar uma solução viável, supondo que ocorra algum empecilho
A defasagem de investigação ou uma lesiva interpretação de dados, tem como consequência, projetos que não atendem aos requisitos mínimos, atrasos, aumento de custos, devido ao fato das modificações e remediações. Lembrando que os dados coletados e seus resultados são documentos de projeto.
Existem vários fatores, que tem influência sobre a escolha do método de investigação. Como a natureza do material de subsuperfície, condição do lençol d’água, tipo de obra a ser construída ou investigada, heterogeneidade da área, topografia local, grau de conturbação de cada método investigativo, tempo, aspectos geoambientais, limitação de orçamento e aspectos políticos. Os dois últimos aspectos têm grande responsabilidade pela redução das investigações.
O êxito das análises dos ensaios de laboratório principia no campo, lembrando que a amostra, não deve apresentar somente cuidados físicos, mas também a representatividade da amostra colhida, ocorrendo uma conexão entre a investigação e a identificação das características a serem avaliadas.
4.2.1 Coleta de Amostras Indeformadas
Amostras indeformadas são corpos de prova, voltada as análises que são retiradas com a menor perturbação possível. De maneira a resguardar suas condições de umidade e estruturas, consistência natural ou compacidade.
Segmentando o solo, extraindo e conservando, fazendo com que sofra poucas ou nenhuma alteração. Essas amostras são utilizadas, para a verificação em laboratório de densidade e resistência de solo indeformado.
A quantidade de amostras indeformadas e a profundidade das coletas, são determinadas pelo projetista, equipe técnica que acompanha a obra e normativas, como a DNER-PRO 002/94 e a NBR 9820.
4.2.1.1 DNER-PRO 002/94
A DNER-PRO 002/94, que é complementada pela ASTMD 1587-74, sendo uma atualização da DNER- PRO 002/78, essa normativa rodoviária dita o procedimento para a obtenção de amostras indeformadas de solos, depósitos naturais ou quaisquer fontes de materiais terroso, cujo a destinação seja ensaios laboratoriais.
Na amostra indeformada, que é quando o solo sofre quase ou nenhuma modificação, se apresentando o mais próximo de sua estrutura natural.
Um bloco indeformado é aquele que assume um formato cúbico, oriundo de escavações como poços, cortes e trincheiras.
O amostrador “shelby tube” deve ser constituído de material anticorrosivo e resistente. Sendo possível analisar suas dimensões na tabela 1.
Tabela 1 - Dimensões de tubos de parede fina (shelby tube).
Os diâmetros da tabela 1, são apenas padronizações, não afirmando com isso que tubos com diferentes diâmetros não sejam utilizados. Sendo que os comprimentos dos tubos são teóricos, os reais comprimentos devem satisfazer a necessidade do estudo e as condições campo.
A obtenção da relação das áreas do diâmetro de um amostrador é adquirido pela Equação 11.
Equação 11 – Relação das Áreas do Amostrador 𝑟 = 𝐷 − 𝐷
𝐷 𝑥100
𝑟 = 𝑅𝑒𝑙𝑎çã𝑜 𝑑𝑎𝑠 Á𝑟𝑒𝑎𝑠 𝐷 = 𝐷𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜
𝐷 = 𝐷𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜
A folga interna é obtida da Equação 12.
Equação 12 – Folga Interna 𝑖 =𝐷 − 𝐷
𝐷 𝑥100
𝑖 = 𝐹𝑜𝑙𝑔𝑎 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 𝐷 = 𝐷𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜
𝐷 = 𝐷𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑏𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑜 𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜
Com três amostradores exemplificados na norma, sendo o “shelby tube”, intitulado amostrador de parede fina, onde o mesmo tem um pistão estacionário com um diâmetro inferior ao tubo de parede fina, e tem 5 cm de altura. O mesmo pode ser tubo shelby e ou tubo shelby com trado mecânico.
Já o amostrador Denison, com parede dupla, tem em seu interior um terceiro tubo aonde é coletado o exemplar. Seu tubo externo é a única peça móvel, em sua ponta existe uma sapata afiada. Os diâmetros utilizados no amostrador de Denison, podem ser analisados na Tabela 2.
Tabela 2 - Diâmetros do amostrador de Denison
Fonte: DNER (2004)
4.2.1.1.1 Equipamentos.
Para amostras em blocos indeformados são utilizados: balde, corda, pá, picareta, caixa de madeira em formato cúbico, facão, trena, etiqueta de identificação, pano, parafina, fogareiro com recipiente, serragem, marcador.
Já para a coleta com amostradores se utiliza os equipamentos citados acima e equipamento completo de sondagem, amostrador tipo Denison, tubo shelby, tubo shelby estacionário e trado mecânico. Como pode ser demonstrado na figura 21.
Figura 21 - Amostrador de parede, grossa, composta e fina
4.2.1.2 NBR 9820/97 – Coleta de amostras indeformadas de solos de baixa consistência em furos de sondagem.
A NBR9820/97, estabelece requisitos para coleta, acomodação e movimentação de amostras indeformadas. Oriundas de solos de baixa resistência e consistência, para fins de análise sob o julgo da engenharia geotécnica. Sendo complementada pelas NBR’s, 6484,6502,7250 e 9603.
A norma detalha dois tipos de amostradores, o tubular de parede fina “shelby tube”, e o pistão estacionário.
4.2.1.2.1 Amostrador com pistão estacionário
Este amostrador é composto por cabeça de amostrador, pistão, haste de pistão tubo amostrador de parede fina. Sendo que seu tubo deve ser de material inoxidável não contendo soldas protuberantes ou ranhuras, o pistão quando inserido no final do tubo deve vedá-lo por completo, quando ocorre a descida ao interior do orifício.
Destacando que o equipamento deve conter dispositivos que controlem a posição e movimento do pistão, sem qualquer relação com a movimentação do tubo.
4.2.1.2.2 Procedimento de amostragem com Amostrador com pistão estacionário
Quando for ocorrer a introdução do amostrador, no orifício de perfuração deve ser verificar se ocorre a vedação do tubo pelo pistão e a conferência dos dispositivos.
Após atingir a profundidade de amostragem, o equipamento de perfuração deve ser fixado a haste do pistão fazendo, com que pistão fique imóvel, o controle da cravação é realizado por marcações feitas de maneira previa na haste.
4.2.1.3 Comparação entre DNER-PRO 002/94 e NBR9820/97
As duas normativas apresentam o mesmo conteúdo sobre Coleta de amostras indeformadas, no entanto existem diferenças entre elas.
A DNER-PRO 002/94 é uma normativa rodoviária complementada por apenas uma normativa, a ASTMD 1587-74, que de forma sucinta esclarece como se realiza o procedimento de coleta de uma amostra indeformada,
No entanto, a NBR 9820/97 é uma normativa voltada a construção civil de uma forma geral, sendo complementada pelas normas NBR 6484, 6502, 7250, 9603. Tornando mais completa, explicando os procedimentos de uma forma mais detalhada com padrões estabelecidos e técnicas complementares, para a obtenção de uma amostra de melhor qualidade. Embora as normativas se assemelham muito em seu conteúdo e formulas, NBR 9820/97 e complementares, se destaca, pois, a mesma sana quaisquer dúvidas que ocorram antes, durante e depois do processo de amostragem.
4.3 ENSAIOS LABORATORIAIS PARA AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS.
Para a obtenção dos indicadores de resistência, ao cisalhamento dos solos pode se usufruir de diversos métodos laboratoriais, tais como;
Ensaio de cisalhamento direto Ensaio triaxial
Ensaio de cisalhamento simples
Estes ensaios têm a finalidade de constatar, dados necessários de resistência e deformação. Os solos quando analisados, geralmente estão simulando a condição com a maior problemática, que o mesmo esteja saturado.
4.3.1 Ensaio de Cisalhamento direto
O ensaio de cisalhamento direto é o modo mais simplificado de um arranjo e a mais antiga para o ensaio de cisalhamento, consiste em determinar sob ação de uma tensão normal (σ) a tensão de cisalhamento (τ), sendo capaz de gerar a ruptura da amostra.
4.3.1.1 Preparação do ensaio.
Para a realização do ensaio, é necessário a obtenção de uma amostra indeformada do material (Figura 22). No caso, o solo de uma determinada região, a ser analisada. A mesma pode ser em formato de bloco, tubos shelby, moldes e outros modos respeitando os parâmetros das normativas descritas.
Figura 22 - Coleta de amostras
Fonte: GeoQuality (2018).
Nesta etapa, as características como teor de umidade, peso específico total, densidade dos grãos e índice de vazios são resolutos.
O aparelho consiste em uma caixa metálica de cisalhamento ao qual o corpo de prova é introduzido, os formatos desses corpos podem ser quadrados ou circulares, com tamanho aproximado de 51x51(mm) ou 102x102(mm) e com altura aproximada de 25(mm), o recipiente é dividido em duas metades, demonstrado na figura 23.
A amostra é inserida conforme demonstra a figura 24, entre as pedras porosas onde cada lado do recipiente contém uma, então o corpo de prova é inundado, com o intuito de retratar a situação mais crítica.
Figura 23 - Montagem do aparelho
Fonte: Godoi (2014)
Figura 24 - Moldagem e preparação do corpo de prova a ser analisado
Com o corpo de prova pronto para ser ensaiado, o mesmo pode ser estudado na figura 25 e figura 26.
Figura 25 - Esquema do ensaio de cisalhamento
Fonte: Gerscovich (2010).
Figura 26 - Arranjo para ensaio de cisalhamento
Fonte: Fundamentos de Engenharia Geotecnica, Braja Das, pag 359 (2014).
Dependendo do equipamento, o experimento pode ser de tensão controlada ou de deformação controlada.
Os ensaios de tensão controlada, o corpo de prova sofre ruptura, devido aos incrementos equivalentes da força de cisalhamento. A ruptura quando ocorre, se localiza no plano de divisão da caixa, que após o deslocamento da metade superior do recipiente é medido por um extensômetro horizontal, tanto a altura quanto volume podem ser obtidas pelo extensômetro, que analisa o movimento da placa de carregamento superior no sentido vertical. Nos ensaios de deformação controlada, uma taxa de deslocamento cisalhante é aplicada constantemente, o valor do deslocamento cisalhante, é obtido por um extensômetro
horizontal, onde a força resistente ao cisalhamento condiz a alguma locomoção cisalhante, valor este que pode ser identificada através de um anel dinamométrico horizontal, ou então por uma célula de carga.
A deformação volumétrica e de altura é obtida de maneira similar a tensão controlada.
A deformação controlada apresenta vantagens, em casos de areia compacta onde a resistência ao cisalhamento na ruptura e o residual podem ser visualizadas, e colocadas em um gráfico.
Já nos ensaios da tensão controlada, apenas a resistência ao cisalhamento de pico pode ser visualizada e traçada no gráfico, no entanto, comparando ambos os ensaios, a tensão controlada retrata de uma forma melhor a situação de campo, pode ser analisado na Figura 27.
Figura 27 - Gráfico da tensão de cisalhamento e da variação da altura do corpo de prova em função da variação da altura do corpo de prova em função do deslocamento para areia seca, fofa e compacta.
4.3.1.2 Fase de consolidação
É um processo lento, oriundo da ocorrência de forças continuas e estáticas, gerando uma aproximação de grãos, ocorrendo no mesmo tempo a expulsão de líquidos, reduzindo o índice de vazios.
4.3.1.3 Fase de cisalhamento.
Usualmente o ensaio é exercido em baixa velocidade, simulando condições drenadas. Onde necessita do coeficiente de adensamento, considerando a compressibilidade e permeabilidade do solo, por intermédio de uma placa de distribuição de carga, Gerscovich (2010) aduz:
“[...] se aplica a força normal N, constante, aumentando-se progressivamente a força tangencial T e provocando-se o deslocamento de uma das partes da caixa em relação à outra, até a ruptura. Durante o ensaio a área correspondente ao plano de ruptura vai sendo reduzida. Com isso as tensões normal e cisalhante vão sendo alteradas durante o ensaio [...]. A força lateral é medida através de célula de carga (elétrico ou mecânico) que permite a medição da carga aplicada. Extensômetros/ transdutores permitem medir os deslocamentos verticais e horizontais durante o ensaio”.
As tensões respectivas nos planos de ruptura são demonstradas na Equação 13 e Equação 14.
Equação 13 – Tensão Normal 𝜎 =𝑁 𝐴 Onde; 𝜎 = 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑁 = 𝐹𝑜𝑟ç𝑎 𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝐴 = Á𝑟𝑒𝑎 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 𝑆𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝐷𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑝𝑜 𝐷𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑣𝑎
Equação 14 – Tensão Cisalhante 𝜏 =𝑇
Onde;
𝜏 = 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝐶𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑛𝑡𝑒
𝑇 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑎 𝐹𝑜𝑟ç𝑎 𝑎𝑜 𝐶𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐴 = Á𝑟𝑒𝑎 𝑆𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝐷𝑜 𝐶𝑜𝑟𝑝𝑜 𝐷𝑒 𝑃𝑟𝑜𝑣𝑎
A quantidade mínima de corpos de prova, a serem analisados são três, com a aplicação de carregamentos divergentes, implicando na aplicação de diferentes estados de tensões, para poder determinar com mais exatidão a envoltória da resistência.
4.3.1.4 Resultados típicos
Neste ensaio são elaborados três gráficos, que apresentam as curvas tensão versus deslocamento horizontal. As curvas de deslocamento vertical, envoltória linear do critério de ruptura de Mohr-Couloumb, respectivamente figura 28, figura 29, figura 30. Onde os gráficos demonstram três curvas, sendo três corpos de prova ensaiados.
Figura 28 - Tensão x Deslocamento
Fonte: HOLTZ & KOVACS (1994).
Figura 29 - Deslocamento Vertical
Figura 30 - Envoltória de Ruptura
Fonte: HOLTZ & KOVACS (1994).
4.3.1.5 Vantagens
A obtenção de parâmetros com agilidade, simplicidade, baixo custo e facilidade de execução, sendo que o plano de ruptura é visivelmente observado.
4.3.1.6 Desvantagens
Segundo Braja (2014):
“ [...]. A confiabilidade dos resultados pode ser questionada porque não é permitido que o solo se rompa ao longo do plano mais fraco, já que ele é forçado a romper ao longo do plano de separação da caixa de cisalhamento, além disso a distribuição da resistência ao cisalhamento sobre a superfície de cisalhamento do corpo de prova não é uniforme”.
No entanto, Gerscovich (2010) aduz e demonstrado na Figura 31:
“Esta desvantagem, entretanto, favorece a realização de ensaios para verificação do grau de anisotropia, uma vez que pode-se moldar os corpos de prova de forma que o plano de ruptura fique paralelo ou perpendicular à direção da orientação das partículas”.
Figura 31 - Ensaio de Cisalhamento Direto em Solos Anisotrópicos
Fonte: GERSCOVICH (2010).
Gerscovich (2010, esclarece:
“Uma deficiência importante do ensaio de cisalhamento direto é a impossibilidade de controle da drenagem no corpo-de-prova, pois a caixa não tem um sistema de vedação adequado. Mesmo que fossem usadas placas impermeáveis no topo e no fundo da amostra, seria impossível impedir a saída de água, pois logo que se inicia o ensaio o deslocamento de uma parte da caixa sobre a outra provoca uma abertura entre elas, permitindo a drenagem. Com isso, as tensões efetivas seriam alteradas, tornando difícil a análise dos resultados”.
As envoltórias de ruptura são afetadas, já que as tensões efetivas se alterariam. Como resposta deste problema, o ensaio é realizado de maneira lenta, isso faz com que o acréscimo da pressão neutra seja evitado, tendo como consequência, mantendo o ensaio totalmente drenado.
Sobre as deformações não uniformes, encontram-se forças nas imediações da amostra que transportam as condições de não uniformidade, da utilidade das tensões na amostra. Essa condição denota que em cada ponto do interior exemplar, as deformações que ocorrem são diferentes. Estas não são capazes de serem determinadas, ao se observar a superfície da amostra. Conforme Figura 32.
De acordo com Gerscovich (2010):
“Uma vez iniciado o cisalhamento não se tem qualquer informação sobre o estado de tensão ou de deformações da amostra, sendo impossível saber quais as trajetórias de tensões e deformações e obter módulos de deformação, como o de Young e o coeficiente de Poisson. As únicas informações obtidas são os deslocamentos no plano de ruptura. Assim, o resultado do ensaio de cisalhamento direto de um corpo de prova é somente um ponto no diagrama de Mohr, pelo qual podem ser traçados vários círculos”.
Figura 32 - Deformação Da Amostra
Fonte: Gerscovich (2010).
Resultante da ruptura forçada horizontalmente, a tensão normal e tensão cisalhante, são estabelecidas neste plano.
Apenas é possível determinar, os estados de tensão em outros planos, somente após traçar a envoltória de ruptura. Como demonstrado na Figura 33, como resultante do ensaio a rotação das tensões principais.
Figura 33- Magnitude e direção das tensões principais na ruptura
Fonte: GERSCOVICH (2010).
4.3.2 Ensaio de Cisalhamento Triaxial
Um dos métodos mais confiáveis e acessíveis para a particularização dos dados da resistência ao cisalhamento, sendo utilizado de forma ampla, tanto em pesquisas e ensaios de caráter convencional.
É executado com a aplicação de uma condição hidrostática de tensões e de carregamento axial sobre uma porção de solo.
Os ensaios triaxiais tradicionais são divididos em três tipos de ensaios padrão, ensaio adensado drenado ou ensaio drenado (Ensaio CD), ensaio adensado não drenado (Ensaio CU), ensaio não adensado não drenado ou ensaio não drenado (UU).
