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Ensaios de laboratório
Ensaios de laboratório
• Cisalhamento direto
• Resultados• Estado de tensão naruptura
• Vantagens e limitações
• Compressão Triaxial
• Resultados• Estado de tensão naruptura
• Vantagens e limitações
• Outras formas de triaxial• Tipos de ensaio quanto àdrenagem• Tipos de ensaio quanto àdrenagem (2)• Ensaio de compressãosimples
Solos não coesivos
Solos Coesivos
Trajetória de tensões
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Cisalhamento direto
3 / 29
• A amostra é colocada numa caixa metá-lica bipartida
• Carga vertical P mantida constante• Carga horizontal F crescente até a rup-
tura• O ensaio é repetido para três ou mais
corpos de prova idênticos, utilizando va-lores diferentes de P
Resultados
4 / 29
Desloc. relativo
ensaio A
ensaio B
ensaio C
τ
σ
, s
c
AB
C
φ
τ = F/A
A envoltória de resistência é dada pela reta que mais se aproxima dos pontos deruptura dos ensaios
Estado de tensão na ruptura
Ensaios de laboratório
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• Compressão Triaxial
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• Outras formas de triaxial• Tipos de ensaio quanto àdrenagem• Tipos de ensaio quanto àdrenagem (2)• Ensaio de compressãosimples
Solos não coesivos
Solos Coesivos
Trajetória de tensões
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φ
θcr
pl. rupturaP
σ
s , τ
σ3 σ1
ppmPPM
s
σv
θcr = 45◦ + ϕ/2
Vantagens e limitações
Ensaios de laboratório
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• Resultados• Estado de tensão naruptura
• Vantagens e limitações
• Compressão Triaxial
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• Outras formas de triaxial• Tipos de ensaio quanto àdrenagem• Tipos de ensaio quanto àdrenagem (2)• Ensaio de compressãosimples
Solos não coesivos
Solos Coesivos
Trajetória de tensões
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Vantagens:
• Ensaio simples, rápido• Plano de ruptura fixo
Limitações:
• Plano de ruptura fixo• Ocorre ruptura progressiva• Planos principais sofrem rotação durante o ensaio• Estado de tensão só é conhecido na ruptura• Controle de drenagem difícil
Compressão Triaxial
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• Corpo de prova cilíndrico numa câmarafechada
• Câmara preenchida com água sob pres-são σc constante
• Membrana de borracha impede que aágua penetre no solo
• Pistão transfere a carga F para o topodo CP
• Carga F aumenta até a ruptura do solo• O ensaio é repetido para 3 ou mais CPs
idênticos, usando valores diferentes deσc
• σ3 = σc σ1 = σc + F/A
Resultados
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Deform axial
ensaio A
ensaio B
ensaio C
τ , s
ε
c
σ
φ
A
B
C
σ1− σ3 = F/A
A envoltória de resistência é dada pela reta que mais se aproxima da tangente aoscírculos de Mohr de ruptura
Estado de tensão na ruptura
Ensaios de laboratório
• Cisalhamento direto
• Resultados• Estado de tensão naruptura
• Vantagens e limitações
• Compressão Triaxial
• Resultados• Estado de tensão naruptura
• Vantagens e limitações
• Outras formas de triaxial• Tipos de ensaio quanto àdrenagem• Tipos de ensaio quanto àdrenagem (2)• Ensaio de compressãosimples
Solos não coesivos
Solos Coesivos
Trajetória de tensões
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φ
σ
s , τ
σ1
pl. ruptura
ppm
PPM
c
θcr
≡ σ3P
θcr = 45◦ + ϕ/2
Vantagens e limitações
Ensaios de laboratório
• Cisalhamento direto
• Resultados• Estado de tensão naruptura
• Vantagens e limitações
• Compressão Triaxial
• Resultados• Estado de tensão naruptura
• Vantagens e limitações
• Outras formas de triaxial• Tipos de ensaio quanto àdrenagem• Tipos de ensaio quanto àdrenagem (2)• Ensaio de compressãosimples
Solos não coesivos
Solos Coesivos
Trajetória de tensões
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Vantagens:
• Plano de ruptura não é imposto• Não ocorre ruptura progressiva• Planos principais fixos• Estado de tensão conhecido durante todo o ensaio• Controle de drenagem
Limitações:
• Ensaio mais complexo e demorado• Presença da membrana de borracha• Atrito entre o pistão e a câmara• Atrito nas extremidades do corpo de prova
Outras formas de triaxial
Ensaios de laboratório
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• Resultados• Estado de tensão naruptura
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• Compressão Triaxial
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Solos não coesivos
Solos Coesivos
Trajetória de tensões
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• Ensaio de tração• Ensaio a volume constante• Ensaio de K0
• Ensaio com trajetória de tensões controlada
Tipos de ensaio quanto à drenagem
Ensaios de laboratório
• Cisalhamento direto
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• Vantagens e limitações
• Compressão Triaxial
• Resultados• Estado de tensão naruptura
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• Outras formas de triaxial• Tipos de ensaio quanto àdrenagem• Tipos de ensaio quanto àdrenagem (2)• Ensaio de compressãosimples
Solos não coesivos
Solos Coesivos
Trajetória de tensões
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Os ensaios de resistência ao cisalhamento pssuem duas fases:
1. Fase de confinamento: ocorre quando a tensão confinante é aplicadaà amostra
2. Fase de cisalhamento: ocorre quando a tensão de cisalhamento éaplicada de forma crescente ao corpo de prova até atingir a ruptura
Conforme a drenagem da água presente nos vazios do solo é permitida ouimpedida nessas duas fases, os ensaiio são divididos em:
• Ensaio rápido ou ensaio não-adensado-não drenado (Q ou UU):
◦ Não é permitida a drenagem em nenhuma das duas fases.◦ A envoltória obtida com esse ensaio é denominada envoltória rápida
ou envoltória não drenada su.◦ Simula a situação de curto prazo no campo, logo após a aplicação
da carga, antes que a pressão neutra formada possa dissipar-se.
• Ensaio lento ou ensaio adensado-drenado (S ou CD):
◦ Na primeira fase é permitida a drenagem da amostra e aguarda-se que toda a pressão neutracausada pela pressão confinante dissipe-se antes de iniciar o cisalhamento.
◦ Na aplicação do cisalhamento é também permitida a drenagem, a velocidade empregada nocarregamento é baixa o suficiente para que qualquer pressão neutra formada tenha tempo paradissipar-se.
◦ Simula a situação de longo prazo no campo.◦ A envoltória obtida é chamada de envoltória efetiva s′.
• Ensaio adensado-rápido ou ensaio adensado-não-drenado (R ou CU):
◦ A primeira fase é executada como no ensaio CD (com drenagem).◦ Ao iniciar a segunda fase a drenagem é interrompida e o carregamento cisalhante é executado
como no ensaio UU.◦ A envoltória obtida é chamada de envoltória aparente sap.◦ A envoltória efetiva pode também ser obtida se a pressão neutra for medida durante a segunda
fase.◦ Esse ensaio é usado para obter a envoltória efetiva mais rapidamente e também para simular
uma ruptura não drenada de um solo submetido no campo a um confinamento inicial.
Ensaio de compressão simples
Ensaios de laboratório
• Cisalhamento direto
• Resultados• Estado de tensão naruptura
• Vantagens e limitações
• Compressão Triaxial
• Resultados• Estado de tensão naruptura
• Vantagens e limitações
• Outras formas de triaxial• Tipos de ensaio quanto àdrenagem• Tipos de ensaio quanto àdrenagem (2)• Ensaio de compressãosimples
Solos não coesivos
Solos Coesivos
Trajetória de tensões
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• Corresponde ao ensaio de compressão triaxial com σc = 0.• O equipamento é muito mais simples que o do triaxial• Só é obtido um estado de tensão de ruptura• O ensaio de compressão simples é considerado um ensaio do tipo UU• É utilizado para estimar a coesão não drenada de solos argilosos. Para
isso assume-se ϕ = 0.
Deform axial ε
F/A
Rc
c
Rc
τ , s
σ
Solos não coesivos
Ensaios de laboratório
Solos não coesivos
• Características• Comportamentotensão-deformação evariação volumétrica
• Índice de vazios crítico eliquefação• Determinação do índicede vazios crítico
Solos Coesivos
Trajetória de tensões
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Características
Ensaios de laboratório
Solos não coesivos
• Características• Comportamentotensão-deformação evariação volumétrica
• Índice de vazios crítico eliquefação• Determinação do índicede vazios crítico
Solos Coesivos
Trajetória de tensões
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• Comportamento no cisalhamento ditado pelo imbricamento e atritoentre as partículas
• Drenagem rápida das pressões neutras causadas pelo carregamento.Comportamento quase sempre drenado.
• Envoltória de resistência na forma s = σ tanϕ, c = 0.• Fatores que influenciam o valor do ângulo de atrito interno:
◦ Compacidade. Fator preponderante.◦ Granulometria. Uniformidade e tamanho das partículas.◦ Forma das partículas◦ Mineral◦ Teor de umidade. Efeito pequeno. Aparece a coesão aparente.
Comportamento tensão-deformação e variação volumétrica
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Areia compacta
Areia fofa
Tensão
Deform.Var. volume
Areia fofa
Areia compacta
Deform.
• Areias compactas tendem a expandir no ci-salhamento. Para haver o cisalhamento énecessário que as partículas subam sobreas outras
• Areias fofas diminuem o volume no cisalha-mento. O rearranjo causado pelo cisalha-mento diminui o volume de vazios
• Após grandes deformações o volume deixade variar
• Há um estado de compacidade intermediá-rio, dado pelo índice de vazios crítico ecr,em que a variação volumétrica é quase nula
Índice de vazios crítico e liquefação
Ensaios de laboratório
Solos não coesivos
• Características• Comportamentotensão-deformação evariação volumétrica
• Índice de vazios crítico eliquefação• Determinação do índicede vazios crítico
Solos Coesivos
Trajetória de tensões
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• Se um maciço formado por areia fina, saturada e fofa sofre umcareegamento repentino (p. ex. abalo sísmico) haverá uma tendênciainstantânea à diminuição de volume
• Para diminuir de volume é necessário que haja saída de água dosvazios
• A saída de água é dificultada pela permeabilidade relativamente baixada areia fina
• Aparece um excesso de poropressão que age enquanto a drenagemnão se completa
• A poropressão reduz a tensão efetiva entre as partícula da areia• A tensão efetiva pode chegar a zero, anulando a resistência ao
cisalhamento.• Nesse ponto a areia torna-se líquida.• Esse fenômeno não ocorre se o índice de vazios da areia for menor
que ecr
Determinação do índice de vazios crítico
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ecr
∆ V
e
contr. exp.
ecr
emin
σc
• Executar uma série de nsaios de resis-tência ao cisalamento com corpos deprova de diferentes compacidades
• Utilizar o mesmo valor de confinamentoem todos os ensaios
• Tomar o valor da variação de volume noinstante da ruptura de cada ensaio
• Traçar a curva e×∆V e determinar ecronde ∆V = 0
• O valor de ecr depende da pressãode confinamento. Quando a pressãode confinamento aumenta é mais difícilocorrer a expansão.
• Se a pressão de confinamento for muitoelevada, pode não haver um valor de eque faça a areia expandir. Nesse casoserá necessário haver quebra de partí-culas para ocorrer o cisalhamento.
Solos Coesivos
Ensaios de laboratório
Solos não coesivos
Solos Coesivos
• Características• Envoltória efetiva - argilanormalmente adensada• Efeito dopré-adensamento
• Envoltória não drenada
Trajetória de tensões
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Características
Ensaios de laboratório
Solos não coesivos
Solos Coesivos
• Características• Envoltória efetiva - argilanormalmente adensada• Efeito dopré-adensamento
• Envoltória não drenada
Trajetória de tensões
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• Coesão provocada por forças de atração de natureza eletro-químicasde superfície entre as partículas
• As forças de atração são função da distância entre as partículas• Há um grande efeito do pré-adensamento• Influência do amolgamanto• Devido à baixa permeabilidade as pressões neutras causadas pelo
carregamento demoram a dissipar-se• Há grande influência do teor de umidade• Envoltória de resistência depende das condições de drenagem.
Comportamento de curto prazo é diferente do comportamento de longoprazo
• Normalmente a envoltória de resistência é determinada com o solosaturado. Essa é a condição mais desfavorável. Mas obter a saturaçãoé difícil.
Envoltória efetiva - argila normalmente adensada
Ensaios de laboratório
Solos não coesivos
Solos Coesivos
• Características• Envoltória efetiva - argilanormalmente adensada• Efeito dopré-adensamento
• Envoltória não drenada
Trajetória de tensões
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σ ’
τ , s’ s’
τ , s’, s s’
sap
σ ’ σ1 1
µ
CD
CU
σ , σ’
σ a’
σ ’a
• Argilas normalmente adensadas,saturadas, apresentam envoltóriaefetiva obtida nos ensaios CD naforma s′ = σ′ tanϕ′, c′ = 0,para tensões normais acima dapressão de pré-adensamento σ′
a
• Nos ensaios CU, a envoltória apa-rente obtida tem a forma sap =σ tanϕap, cap = 0
• Se a pressão neutra nos ensaiosCU for monitorada, pode-se obtero estado de tensão efetiva: σ′
1 =σ1 − µ, σ′
3 = σ3 − µ.• Pode-se então obter também a
envoltória efetiva com os resulta-dos dos ensaios CD
Efeito do pré-adensamento
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σ ’
τ , s’ s’
τ , s’, s s’
sap
σ 1 σ , σ’
CD
CU
σ 1’
σ ’a
σ a’
µ
• Abaixo da pressão de pré-adensamento, a resis-tência ao cisalhamento é maior que do solo nor-malmente adensado
• Isso ocorre devido à diminuição da distância en-tre as particulas causada pelo adensamento
• O aumento na resistência aparece tanto na en-voltória efetiva quanto na aparente
• Para argilas muito pré-adensadas, pode ocor-rer de a envoltória efetiva ficar abaixo da apa-rente para valores baixos da pressão confinante(±0, 1σ′
a)• Isso ocorre porque argilas muito pré-adensadas
podem comportar-se como areias compactascom pouco confinamento, expandindo no cisa-lhamento. A expansão causa pressão neutra ne-gativa no ensaio CU
• As envoltórias são aproximadas por retas no in-tervalo de tensões que ocorre no campo. Daísurge a parcela de coesão na equação da envol-tória
Envoltória não drenada
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σ
τ , s
su
τ , s
σ
Solo saturado
UU
Rc
não saturado
saturado
• Nos ensaios UU em argilas saturadas, a envol-tória de resistência não drenada tem a formasu = c, ϕ = 0
• Isso se deve ao fato de que qualquer aumento dapressão de confinamento é equilibrado por umaumento igual na pressão neutra. Assim, a ten-são efetiva não se altera e não há aumento deresistência
• Nessas condições, os ensaios UU aplicam nosolo tensões efetivas semelhantes às aplicadaspelo ensaio de compressão simples
• Se o solo estiver parcialmente saturado, haveráum aumento na resistência com o aumento doconfinamento, pois o ar é compressível.
• Porém se a pressão confinante aumentar muito,o ar presente nos vazios será dissolvido na águae, a partir daí o solo irá comportar-se como satu-rado
Trajetória de tensões
Ensaios de laboratório
Solos não coesivos
Solos Coesivos
Trajetória de tensões
• Trajetória de tensões• Trajetória de tensões dotriaxial CU• Envoltória de resistência apartir da trajetória detensões
• Determinação de c e ϕ
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Trajetória de tensões
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σ
q
τ
p
AB
CD
D
C
BA
σc
σc
Ensaio triaxial
Trajetória de tensões
• Representação gráfica do caminho percorridopelo estado de tensões num elemento de solodurante o carregamento
• Pode ser usado para representar tanto o desen-volvimento de tensões no campo, como num en-saio de laboratório
• Os ensaios de laboratório buscam reproduzir atrajetória de tensões que ocorre no campo
• A representação gráfica do estado de tensãopelo círculo de Mohr não é apropriada para re-presentar a trajetória de tensões. É preciso an-tes transformar o círculo de Mohr em um ponto
• Utiliza-se a transformação p = (σ1 +σ3)/2, q = (σ1 − σ3)/2 para representar ocírculo de Mohr por um ponto
• Note-se que p′ = (σ′1+σ′
3)/2 = p−µ e q nãoé afetado pela pressão neutra
Trajetória de tensões do triaxial CU
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σ1− σ3
Deform axial ε
µ
p , p’
q
µ rup
rupµ tensões totais
tensõoes efetivas
σc
• A trajetória de tensões totais é uma reta com inclinação de 45◦ a partir de p = σc.• A trajetória de tensões efetivas é obtida, para cada valor da deformação ϵ, por
p′ = p− µ, onde µ é o valor da pressão neutra naquela deformação.
Envoltória de resistência a partir da trajetória de tensões
Ensaios de laboratório
Solos não coesivos
Solos Coesivos
Trajetória de tensões
• Trajetória de tensões• Trajetória de tensões dotriaxial CU• Envoltória de resistência apartir da trajetória detensões
• Determinação de c e ϕ
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p , p’
q
a’
α ’
• Podem ser traçadas “envoltórias” às trajetórias de tensões de umasérie de ensios
• No caso de ensaios CU podem ser traçadas “envoltórias” às tensõesefetivas e às tensões totais
• Obtêm-se retas com equações do tipo q = a+ p tanα• Os valores de c e ϕ podem ser determinados a partir de a e α.
Determinação de c e ϕ
Ensaios de laboratório
Solos não coesivos
Solos Coesivos
Trajetória de tensões
• Trajetória de tensões• Trajetória de tensões dotriaxial CU• Envoltória de resistência apartir da trajetória detensões
• Determinação de c e ϕ
29 / 29
α
rr
φ
ca
σ , p
τ , q
• A partir dos triângulos formados pelos centro e raios, obtem-sesenϕ = tanα.
• A partir dos triângulos formados por a e c, obtem-se:c/ tanϕ = a/ tanα.
• Portanto, ϕ = arcsen tanα e c = a tanϕ/ tanα