O EFEITO DA RESISTÊNCIA À TRAÇÃO E COMPRESSÃO … · Gráfico 1 - Curva de distribuição incremental dos diâmetros dos poros do solo residual jovem de Tingu ... entre sucção

Departamento de Engenharia Civil

O EFEITO DA RESISTÊNCIA À TRAÇÃO E COMPRESSÃO SIMPLES

NA FUNÇÃO DE UMIDADE DE SOLOS RESIDUAIS NÃO

SATURADOS

Alunos: Pedro Oliveira Bogossian Roque e Douglas Souza Alves Júnior

Orientador: Tácio Mauro Pereira de Campos

Co-Orientador: Mariana Ferreira Benessuiti

Introdução

A função de umidade, também denominada curva característica, ou curva de retenção, é

uma importante relação no estudo de solos não saturados, a qual exprime a variação da

quantidade de água retida no solo, expressa em teor de umidade volumétrica (Ө), teor de

umidade gravimétrica (w) ou grau de saturação (S), com a variação da sucção (ψ).

Dependendo da disposição estrutural do solo, a curva característica pode apresentar

formato uni ou bimodal, sendo esta característica estreitamente relacionada à distribuição do

tamanho dos poros do solo. No caso unimodal, a curva de retenção pode ser dividida em três

regiões. A primeira, denominada zona de efeito limite, corresponde ao trecho onde a fase

líquida é predominante nos poros do solo, e em que acréscimos de sucção geram pouco, ou

nenhum, decréscimo de saturação. A segunda, fase de transição, se inicia no valor de entrada

de ar, e corresponde ao trecho de dessaturação do solo. E a terceira fase, de saturação residual,

inicia-se no grau de saturação residual, valor a partir do qual a água se encontra descontínua

no solo, em finos filmes entre as partículas sólidas, e em que, novamente, acréscimos de

sucção causam variações insignificantes de saturação. No caso bimodal, a curva apresenta um

patamar intermediário, onde ocorre pouca variação da quantidade de água, situado entre duas

zonas de dessaturação. Nesta circunstância, o solo se caracteriza por dois valores distintos de

entrada de ar, devido à presença de duas famílias predominantes de dimensões de poros

(macro, meso, ou micro).

O objetivo deste relatório é avaliar a relação entre os valores de sucção de dois solos

residuais jovens não saturados com suas resistências a tração e a compressão simples

correspondentes.

Metodologia

Para os ensaios, foram utilizadas amostras de dois tipos de solos residuais jovens,

provenientes da Reserva Biológica Federal do Tinguá, em Nova Iguaçu, e do município de

Nova Friburgo, do estado do Rio de Janeiro. As tabelas abaixo apresentam o resumo da

granulometria desses solos:

Tabela 1 - SRJ Friburgo

Resumo da Granulometria:

Pedregulho = 1.4 %

Areia Grossa = 29.4 %

Areia Média = 18.9 %

Areia Fina = 12.2 %

Silte = 31.9 %

Argila = 6.2 %


Tabela 2 - SRJ Tinguá

Resumo da Granulometria

Pedregulho = 0.1 %

Areia Grossa = 4.6 %

Areia Média = 31.5 %

Areia Fina = 27.4 %

Silte = 29.8 %

Argila = 6.6 %

A curva da distribuição incremental dos diâmetros dos poros, obtida através do ensaio

de porosimetria de mercúrio, mostra duas famílias de pico para os dois solos. Como este

ensaio tem estreita relação com o formato da curva característica, pode-se prever um

comportamento bimodal para ambos solos.

Gráfico 1 - Curva de distribuição incremental dos diâmetros dos poros do solo residual jovem de Tinguá


Gráfico 2 - Curva de distribuição incremental dos diâmetros dos poros do solo residual jovem de Friburgo

Os corpos de prova foram obtidos através de amostras indeformadas extraídas do campo

e armazenados de forma a preservar as condições naturais. Para os ensaios de tração, foram

utilizados anéis metálicos com 2,00 cm de altura e 3,50 cm de diâmetro, enquanto que para os

ensaios de compressão simples, foram utilizados cilindros com 7,95 cm de altura e 3,95 cm de

diâmetro. Para amostras reconstituídas, foi utilizado solo amolgado, mantendo o índice de

vazios e o peso específico originais.

Figura 1 - Moldagem de amostras indeformadas para ensaio de tração (SRJ Friburgo)


Figura 2 - Moldagem de amostras reconstituídas para ensaio de compressão simples (SRJ Tinguá)

Em todos os processos, as amostras foram saturadas por capilaridade e em seguida secas

ao ar até atingirem determinado teor de umidade gravimétrica previamente arbitrado [1]. Ao

final desta etapa, os corpos de prova foram postos em contato com o papel filtro do tipo

Whatman Nº 42, sendo cada um envolvido por camadas de papel filme tipo PVC e papel

alumínio. Em seguida, foram guardados em uma caixa de isopor, para maximização do

isolamento térmico.

O método do papel filtro [2] se fundamenta no princípio de absorção e equilíbrio que

ocorre quando um material poroso, no caso, o solo, com deficiência de umidade é posto em

contato com um papel filtro, que apresente menor umidade. O papel absorve uma certa

quantidade de água do solo até que seja estabelecido um equilíbrio da sucção matricial, tendo

como consequência valores idênticos de sucção no solo e no papel filtro. Através da relação

entre sucção e umidade do papel filtro, a sucção é obtida referindo-se à curva de calibração.

As amostras ficaram em repouso por no mínimo sete dias, para que a equalização da

sucção matricial se estabelecesse. Após este período, os conjuntos foram abertos e os papéis

filtros colocados diretamente na balança com precisão de 0,1 mg. Para cada valor de tempo

pré-determinado (10, 20, 30, 40, 50 e 60 segundos) a massa do papel foi obtida e, por

correlação exponencial, foi determinada a massa de papel filtro úmido no tempo igual a zero.

Este procedimento foi repetido para a obtenção da massa do papel filtro seco após secagem

por um período de duas horas, em estufa a 110° C.

A umidade do papel filtro é calculada a partir da massa seca e da úmida. O valor da

sucção de cada amostra é determinado, a partir da umidade do papel filtro, segundo a equação

de calibração, permitindo a construção da curva característica de cada solo. Paralelamente, o

aparelho WP4C Dewpoint Potentiometer foi utilizado para medir valores elevados de sucção

matricial das amostras.

A equação de calibração para o cálculo da sucção é dada por:

, para wp > 47%

, para wp < 47%

Sendo:

= umidade do papel filtro;

= sucção matricial.


Os corpos de prova foram então submetidos aos ensaios mecânicos. A resistência a

tração é obtida através da compressão diametral dos anéis [3], enquanto a resistência a

compressão simples é obtida através da compressão axial dos cilindros [4]. As amostras

sofrem um carregamento sob velocidade de ensaio constante previamente determinada.

Através dos dados gerados pelo sensor de deslocamento (LVDT) e pela célula de carga, foi

traçado a curva de tensão versus deformação para cada ensaio.

Para os ensaios de compressão diametral, a tensão é dada pela fórmula abaixo:

Sendo:

= força registrada pela célula de carga;

= diâmetro do corpo de prova;

= altura do corpo de prova.

Para os ensaios de compressão simples, a tensão é dada pela força registrada pela célula

de carga dividida pela área corrigida do corpo de prova.

A resistência do solo é o ponto máximo da curva tensão versus deformação.

Figura 3 - Corpo de prova submetido ao ensaio de compressão diametral (SRJ Friburgo)


Figura 4 - Corpo de prova submetido ao ensaio de compressão axial (SRJ Tinguá)

Resultados e Discussão

Os ensaios de ambos os solos estudados apresentaram os seguintes resultados, descritos

nas tabelas abaixo:

Tabela 3 – Resistência a Tração - SRJ Friburgo - indeformado

SRJ Friburgo - reconstituído

Anel Sucção -

PF (kPa)

Sucção -

WP4C (kPa)

RT

(kPa)

Umidade

(%)

Umidade

Volumétrica (%)

Grau de

Saturação (%)

1 878.87 1050 10.24 7.17 9.97 22.65

4 25.32 70 4.58 18.52 27.67 62.91

5 282.98 290 9.76 10.64 15.99 36.61

6 5.63 - 3.88 25.68 38.65 88.68

7 14.96 - 3.94 18.49 28.11 65.40

11 8.91 - 4.51 21.34 32.06 73.41

19 7.69 - 0.65 21.64 32.77 75.82

71 84.67 120 6.47 13.87 20.29 44.94

73 33.90 - 4.51 16.79 25.34 58.40

801 5566.82 7860 10.26 3.25 4.71 10.31


Tabela 4 - Resistência a Tração - SRJ Friburgo - reconstituído

SRJ Friburgo - indeformado

Anel Sucção -

PF (kPa)

Sucção -

WP4C (kPa)

RT

(kPa)

Umidade

(%)

Umidade

Volumétrica (%)

Grau de

Saturação (%)

5 86.94 30 8.66 12.62 18.75 42.34

9 43.30 10 5.34 17.97 26.77 60.68

11 1964.41 2560 17.25 5.74 8.52 19.19

12 747.93 810 16.39 14.56 20.45 43.23

71 4.18 - 2.51 27.39 38.72 82.39

72 18.21 - 4.69 21.93 30.95 65.71

113 13.78 - 3.82 21.47 31.26 68.82

212 9.57 20 5.26 23.49 34.38 76.18

434 39.68 - 7.03 15.80 23.22 51.72

Tabela 5 - Resistência a Compressão Simples -SRJ Friburgo - indeformado

SRJ Friburgo - indeformado

Cilindro Sucção -

PF (kPa)

Sucção -

WP4C (kPa)

RCS

(kPa)

Umidade

(%)

Umidade

Volumétrica (%)

Grau de

Saturação

31 3173.33 3960.00 114.38 4.89 7.30 16.58

34 1616.33 1320.00 108.43 5.85 4.69 6.71

35 13.68 - 56.24 22.55 33.69 76.57

37 22.55 - 72.64 17.93 27.26 63.40

38 123.10 80.00 96.32 16.99 25.13 56.43

39 194.40 150.00 116.52 12.30 18.79 44.01

41 5.08 - 28.27 24.32 29.97 55.73

42 604.81 320.00 78.72 9.60 14.09 31.34

Tabela 6 - Resistência a Compressão Simples - SRJ Friburgo - reconstituído

SRJ Friburgo - reconstituído

Cilindro

Sucção -

PF (kPa)

Sucção -

WP4C (kPa)

RCS

(kPa)

Umidade

(%)

Umidade

Volumétrica (%)

Grau de

Saturação

17 914.10 890 183.22 8.05 12.63 30.65

19 2615.49 2790 217.16 5.05 7.92 19.25

23 4641.23 4770 187.6 4.12 6.53 16.10

24 253.91 430 145.05 10.58 16.78 41.39

28 12.65 - 34.96 21.94 33.43 77.97

30 7.02 - 32.91 23.24 35.38 82.40

31 19.37 - 48.54 19.48 30.32 72.82

34 47.14 - 71.77 16.41 25.83 63.02

36 66.74 130 96.41 14.85 23.31 56.69

37 95.74 190 134.43 12.46 19.73 48.60


Tabela 7 - Resistência a Compressão Simples - SRJ Tinguá - indeformado

SRJ Tinguá - indeformado

Cilindro Sucção -PF

(kPa)

Sucção -

WP4C (kPa)

RCS

(kPa)

Umidade

(%)

Umidade

Volumétrica (%)

Grau de

Saturação

23 18.98 - 53.08 28.61 36.10 66.30

24 9.92 - 48.85 30.34 38.37 70.49

29 2010.56 2300.00 104.76 6.77 8.50 15.54

30 2881.63 3130.00 146.94 9.96 12.77 23.77

33 5.44 - 25.54 29.52 38.66 73.34

34 27.61 70.00 45.37 25.52 32.32 59.55

35 77.15 160.00 67.22 20.30 25.62 47.07

36 58.40 100.00 104.94 22.98 28.93 53.03

37 734.07 410.00 119.08 15.07 19.73 37.42

Tabela 8 - Resistência a Compressão Simples - SRJ Tinguá - reconstituído

SRJ Tinguá - reconstituído

Cilindro

Sucção -

PF (kPa)

Sucção -

WP4C (kPa)

RCS

(kPa)

Umidade

(%)

Umidade

Volumétrica (%)

Grau de

Saturação

11 7.27 - 29.83 32.11 40.88 75.65

12 8.91 - 36.72 32.17 39.38 70.58

13 19.54 10 51.34 27.00 34.21 63.05

14 57.61 50 78.69 23.86 31.03 58.48

15 77.09 120 98.28 21.88 28.31 53.13

17 700.17 530 124.82 16.61 21.11 39.00

18 1754.95 1350 113.67 11.39 14.20 25.83

19 2674.04 2590 124.43 9.05 11.16 20.09

Os ensaios de sucção apresentam como resultado a curva característica de cada solo,

apresentadas abaixo em função da umidade gravimétrica.

Gráfico 3 - Curva Característica - SRJ Friburgo


Gráfico 4 - Curva Característica - SRJ Tinguá

Os gráficos de tensão versus deformação para cada solo foram montados através dos

resultados dos ensaios mecânicos de compressão diametral dos anéis e compressão axial dos

cilindros.

Gráfico 5 - Tensão vs. Deformação - Resistência a Tração - SRJ Friburgo - indeformado


Gráfico 6 - Tensão vs. Deformação - Resistência a Tração - SRJ Friburgo – reconstituído

Gráfico 7 - Tensão vs. Deformação - Resistência a Compressão Simples - SRJ Friburgo - indeformado


Gráfico 8 - Tensão vs. Deformação - Resistência a Compressão Simples - SRJ Friburgo – reconstituído

Gráfico 9 - Tensão vs. Deformação - Resistência a Compressão Simples - SRJ Tinguá - indeformado


Gráfico 10 - Tensão vs. Deformação - Resistência a Compressão Simples - SRJ Tinguá - reconstituído

A partir dos resultados obtidos, pode-se traçar gráficos que relacionem a sucção

matricial com a resistência mecânica dos solos ensaiados.

Gráfico 11 - Resistência a Tração vs. Sucção - SRJ Friburgo


Gráfico 12 - Resistência a Compressão Simples vs. Sucção - SRJ Friburgo

Gráfico 13 - Resistência a Compressão Simples vs. Sucção - SRJ Tinguá

Conclusões

As curvas características montadas apresentaram comportamento bimodal para ambos

os solos residuais estudados, com dois pontos de entrada de ar, como era esperado pelo

resultado do ensaio de porosimetria de mercúrio.

Os ensaios mostraram que a resistência do solo apresenta uma relação significativa com

a sucção matricial. Os resultados mostraram uma faixa de crescimento da resistência até

elevados valores de sucção. A partir de valores superiores a 1000 kPa, a resistência manteve-

se estável em alguns dos ensaios realizados e apresentou uma queda nos demais.


Referências

1 - MARINHO, F. A. M. Os solos não saturados: aspectos teóricos, experimentais e

aplicados. São Paulo, 2005. 201p. Concurso de Livre-Docência na especialidade

“Geomecânica” do Departamento de Estruturas e Fundações - Escola Politécnica,

Universidade de São Paulo.

2 - CHANDLER, R. J.; GUTIERREZ, C. I. The filter-paper method of suction measurement.

Géotechnique, v.36, n.2, p. 265-268. 1986

3 - BENESSIUTI, M. F.; BERNARDES, G. P.; CAMARINHA, P. I. M. Influência da

sucção matricial na resistência à tração de solos residuais de gnaisse compactados. São

Paulo, 2010

4 - VALEJOS, C. V.; BAZAN, H. W. D.; LOYOLA, J. M. T.; CECON, T. A. Cálculo de

ensaios laboratoriais de mecânica dos solos. Curitiba, 2005. 183p. Universidade Federal do

Paraná

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