O conceito de coeso verdadeira ajuda a entender o comportamento mecnico dos solos?

Emanuel Maranha das NevesInstituto Superior Tcnico

Sumrio

O objectivo principal mostrar que o conceito mecnico de coeso, fundamentado sobretudo na adeso entre partculas, no s no descreve clara e adequadamente o comportamento mecnico dos solos, como pode ter consequncias prticas indesejveis.

Pressupostos (I) Tratar-se- apenas de solos, isto , materiais particulados e sem ligaes cimentcias entre as particulas. a) c>0 (true cohesion):rocha. b) c=0: solo (argila ou areia)Manuel Rocha (1973); Bolton (1979); Atkinson (1993)

Pressupostos (II) Podem ainda ser abrangidos os casos de ocorrncia de ligaes cimentcias fracas, facilmente destrudas em resultado das deformaes conducentes ao estado crtico (rotura). No caso de ligaes cimentcias mais fortes, estar-se- noutro domnio, o das argilas rijas/rochas brandas e o das rochas propriamente ditas.

Pressupostos (III) As consideraes que seguidamente sero apresentadas dizem respeito a solos saturados (embora podendo ser estendidas aos solos no saturados). Os comportamentos, nomeadamente a rotura, so sempre descritos em termos de tenses efectivas (ainda que de forma implcita, como sucede no caso do comportamento no drenado).

Mltiplas designaes para a coeso Cohesion coeso Effective cohesion coeso efectiva True cohesion coeso verdadeira Apparent cohesion coeso aparente* Undrained cohesion coeso no drenada Peak cohesion coeso de pico Cohesion intercept coeso de interseco * Aparente pode significar evidente, manifesto ou ento, fictcio, falso.

Um critrio de rotura no pode ser definido apenas com base em tenses, como na MS clssicaMecnica dos solos clssica (critrio de rotura de Mohr-Coulomb) = tg = c+ tg

Mecnica dos solos dos estados crticos(rotura definida em termos de tenses e deformaes) q = p v = ln p

Critrio de rotura de Mohr-Coulomb = tg

= c+ tg

Critrio de rotura de acordo com a MSECConceito de estado q = M p ; v = - ln p = tg ; e = eo - Cc log Atkinson (1993)

Determinao da resistncia no estado crtico (qc, pc,v)Ensaio triaxial CD, argila de Santa Clara (M=1,1; =0,103; =0,011; OCR=1,75) cons=200kPa

q = M pv = - ln p q = f (s)Maranha das Neves (1975)Maranha das Neves (1975)

O modelo friccional para os solos inquestionvel que mesmo as argilas, NC ou ligeiramente OC, resistem apenas por atrito.

Argila de Santa Clara, ligeiramente OC. (LL=47,6%; IP=26,5%). Ensaios CD, muito lentos (0,005 mm/min) (Maranha das Neves, 1969)

Envolvente de Mohr-Coulomb curvaEnsaio triaxial de enrocamento (basalto) Maranha das Neves & Veiga Pinto (1988)

Dum ponto de vista microestrutural, espectvel que, durante a compresso, aumentando as foras interparticulares, a distncia mdia entre partculas diminua. Do ponto de vista macroestrutural, a equao v = ln p estabelece que o volume ocupado pela unidade de volume de particulas em escoamento (v) diminui com o aumento do logartmo da tenso efectiva (p).

A abordagem da MSEC macroestrutural, visa a utilizao da mecnica dos meios contnuos e da elastoplasticidade com endurecimento (sentido lato) .

Dilatncia, = - dv / ds Adx Ady = Adx (energia de carregamento total) (trabalho friccional)

q ds+pdv = Mp|ds | (em termos dos invariantes q e p) Taylor (1948); Schofield & Wroth (1968)

Resistncia: atrito + dilatncia(representao no plano q;p) qp = M pp + pp (v / s)pAtkinson (1993)

Envolvente dos estados de pico e dilatnciaNotar que para tenses efectivas muito inferiores s usadas nos ensaios comuns (OCR muito elevadas), a envolvente dos estados de pico acentuadamente curva em direco origem.

Powrie (1997)Envolvente curva das resistncias de pico num grfico ( ; ).Forma incorrecta de interpretao dos resultados das resistncias de pico.Interpretao dos resultados de resistncias de pico

Solos densos (rijos) e solos soltos (moles)Secos e hmidos na terminologia da MSEC H interesse em saber se um solo denso na medida em que, se assim suceder, exibe dilatncia positiva. Para o saber necessrio referenci-lo em relao ao ecrtico correspondente ao valor de a que est submetido. Dilatncia negativa (lado hmido)Dilatncia positiva (lado seco)

Representao de Mohr-Coulomb dos estados de pico(ensaio de corte directo) = cpe + p tgpNotar que:

p < c

e,para baixos valores de , a equao no d os valores de pico.Isto significa que cpe no a resistncia de corte do solo para = 0. apenas um parmetro para definir a equao de Mohr-Coulomb.Atkinson (1993)

Representao de Mohr-Coulomb dos estados de pico(ensaio triaxial) qp = Gpv + Hp pp Hp gradienteGpv interseco no eixo dos q, no uma tenso de pico para p 0.OT tension cut-off, i. e., linha limite dos estados correspondentes a tenses efectivas negativas (cimentao, por ex.).Atkinson (1993)

Dilatncia versus coeso A dilatncia varia com s e p, passa por um mximo (que depende de p e da OCR) e descreve uma situao de transio para o estado crtico (rotura), no qual se anula (tg = 0). Pelo contrrio, a coeso, de acordo com o critrio de Mohr-Coulomb, mantm um valor constante, no s independente da tenso normal, como da deformao.

Escolha de parmetros de projecto no caso de argilas OC

Optando por uma abordagem conservativa: = tgc(c- medido em triaxial com a argila remoldada saturada).

Escolha de parmetros de projecto no caso de argilas OC

Pretendendo usar resistncias de pico: = tgmx = tg (c+ )(mx medido em triaxial em amostras indeformadas) Neste caso indispensvel ter a certeza que o macio argiloso no sofreu nem sofrer rotura!

Suco O macio de argila mantm uma parede vertical? A areia mantm um talude de inclinao superior ao seu c? Apenas o resultado do efeito de p devido suco (p ser facilmente alterado se, por exemplo, variarem as condies atmosfricas). O comportamento puramente friccional. Vala na zona de contacto entre o ncleo e o filtro de jusante na barragem de Keddara

Resistncia ao corte no drenada (su)

A resistncia no drenada definida nestes termos retem o esprito da velha noo de coeso, mas no contradiz minimamente o modelo friccional que se advoga para os solos.Atkinson (1993)

O papel da qumica coloidal na quantificao do comportamento mecnico das argilas

Foras entre partculas de argilaDistncia muito prximaForas de solvation/hydratationForas de repulso de BornDistncia menos prximaRepulso da dupla camadaAtraco de van der WaalsSantamarina, Klein & Fam (2001)

O papel da qumica coloidal na quantificao do comportamento mecnico das argilas

Lambe & Wihtman: os princpios da qumica coloidal tm dado uma ajuda quantitativamente reduzida para o estudo do comportamento das argilas.

Talvez mais adequadamente se devesse dizer que se trata de uma pequena ajuda para o estudo quantitativo do comportamento das argilas.

Visualizao da relao entre as dimenses de partculas de argila, silte e areiaA engenharia civil geotcnica, na prtica, no confrontada com formaes constitudas por argilas puras (ao contrrio da indstria cermica, etc.).Maranha das Neves (2004)

Foras gravticas e foras resultantes da atraco/repulso entre partculas Suspenso aquosaAs foras de natureza gravtica so irrelevantes (comportamento coloidal). Macio terroso As foras de atraco/repulso so irrelevantes face s foras gravitacionais, no de uma s partcula, mas da massa total de solo sobrejacente.

Foras gravticas e foras resultantes da atraco/repulso entre partculas (mecanismo de auto-filtragem) Maranha das Neves (1991)

Concluses (I) A coeso (comportamento com base no fenmeno fsico da adeso) no explica de modo capaz o comportamento mecnico das argilas OC.

Existem resistncias de pico (para s normalmente muito inferiores s correspondentes ao estado crtico) que s podem ser explicadas pela dilatncia.

Da que um critrio de rotura para solos no possa ser apenas descrito num espao de tenses (caso dos critrios de Mohr-Coulomb e Tresca).

Concluses (II) A interpretao do comportamento associado s resistncias de pico dos solos deve basear-se na combinao atrito + dilatncia em vez de atrito + coeso

Concluses (III) O modelo baseado na coeso efectiva tem frequentemente consequncias prticas indesejveis no domnio da segurana. O conceito de coeso (adeso entre partculas) no deve ser usado nos conceitos bsicos do comportamento mecnico dos solos.

Atendendo aos seus fundamentos, deve recorrer-se, no ensino e na prtica, Mecnica dos Solos dos Estados Crticos.

Concluses (IV) . No devem ser usadas as designaes solos coesivos e, por maioria de razo, a de solos no coesivos, pois introduzem confuso no domnio do ensino e enviesam a prtica da engenharia civil geotcnica ao estabelecerem uma permanente ligao com um modelo de comportamento errado.

Concluses (VI)

Deve usar-se a designao solos argilosos (argilas) em vez de solos coesivos e solos arenosos (areias) em vez de solos no coesivos.

Concluses (V) O que marca realmente a diferena de comportamento mecnico entre estes solos tipo afinal uma propriedade hidrulica: a respectiva permeabilidade.