Se, num solo coesivo, cortarmos um cilindro e o submetermos à ação de uma pressão normal P (fig. 1), no cilindro surgirão novas tensões, nomeadamente a tensão vertical de compressão σ e a tensão horizontal de corte . Se aumentarmos progressivamente a pressão P, ao fim de algum tempo aparecerão no cilindro fissuras oblíquas, e imediatamente a seguir ocorrerá a ruptura do cilindro. No momento da ruptura, o cilindro é deslocado sob a ação da pressão P e ao longo do plano de cisalhamento de menor resistência N-N.
Fig. 1. Efeito da pressão sobre um cilindro retirado de solo coesivo
A resistência do solo oferecida pelo cilindro contra a ação da força P no momento da ruptura chama-se resistência ao cisalhamento do solo, e o ângulo α de inclinação do plano de menor resistência em relação à horizontal chama-se ângulo do plano de menor resistência ao cisalhamento do solo.
A resistência ao corte do solo coeso consiste em dois resistências elementares: o atrito interno entre as partículas sólidas e a coesão que liga as partículas sólidas. Adota-se que a resistência ao corte do solo é igual à maior tensão de corte no momento da rutura e exprime-se pela equação
τf = c + σ tg_φ_
onde: τf é a resistência ao corte do solo [kp/cm2],
c coesão do solo [kp/cm3],
σ tensão normal do solo [kp/cm3],
φ ângulo de atrito interno do solo.
A fórmula acima foi apresentada pelo francês Coulomb em 1785. ano. Segundo esta fórmula, para um dado solo a coesão c é constante e independente da pressão normal, enquanto a resistência ao atrito σ tg_ϕ_ é diretamente proporcional à tensão σ. Na realidade, a coesão e não é constante para um dado solo; ela também depende, em certa medida, da tensão normal σ, porque sob a ação dessa pressão diminui a espessura da película de água que envolve as partículas sólidas e, assim, a coesão aumenta. A fórmula de Coulomb é válida para solos permeáveis, nos quais, sob a ação da pressão normal, a água dos poros é expulsa sem resistência, o que ocorre no caso de solos pedregosos e arenosos, mas não no caso de solo coesivo, que é pouco permeável, razão pela qual a água dos poros é dificilmente expulsa e permanece como água intersticial sob tensão sob a ação da carga P.
Tensões efetivas e neutras no solo
Fig. 2. Tensão efetiva e neutra no solo
Se colocarmos no fundo de um recipiente uma amostra de solo, por exemplo areia seca, e a carregarmos com alguma massa, por exemplo granalha de chumbo de peso W, toda a carga desse peso será suportada pelas partículas sólidas do solo. A pressão específica sobre a superfície da amostra p0 = W/A em kp/cm3, onde A é a área da secção da amostra, provocará o assentamento da amostra, isto é, a redução da sua porosidade, mas também provocará alterações de outras propriedades físicas da amostra, como o aumento da resistência ao corte, o aumento do módulo de compressibilidade e outras. A pressão que atua nas superfícies de contacto entre as partículas chama-se pressão efetiva ou intergranular σ’. Quando se atinge a consolidação, isto é, quando a amostra deixa de assentar sob a carga p0, a pressão efetiva é igual à pressão específica total que atua à profundidade em que o solo é observado. Neste caso, a uma profundidade abaixo da superfície da amostra na fig. 2 σ’ = W/A + hzγ onde γ é o peso volumétrico da amostra.
No entanto, se a amostra no recipiente for carregada com água até à altura h, em vez de granalha de chumbo, de modo que esta preencha todos os poros da amostra, a pressão da coluna de água acima da amostra hγw, sendo γw o peso volúmico da água, não provocará o assentamento da amostra nem a diminuição da sua porosidade, nem aumentará a sua resistência ao corte e o seu módulo de compressibilidade. Por isso, a pressão hidrostática hγw chama-se pressão neutra. A pressão neutra, indicada por u, transmite-se através da amostra em todas as direções com igual intensidade. Esta pressão não provocará aumento da resistência ao corte, porque a própria água não possui qualquer resistência ao corte.
Portanto, a pressão efetiva σ’ é transmitida através das superfícies de contacto entre as partículas sólidas do solo, e a pressão neutra u é transmitida pela água nos poros. Se a parte inferior do recipiente estiver preenchida com uma amostra saturada de solo cujo peso volúmico é γz, e acima da superfície da amostra até ao nível N o recipiente estiver cheio de água cujo peso volúmico é γw, então a pressão total σ em qualquer ponto da amostra será σ = σ’ + u.
À profundidade hz, abaixo da superfície da amostra, a pressão efetiva será σ = σ’ - u
onde σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Portanto, σ’ = hz γ’
γ’ é o peso volúmico do solo submerso em água.
Equação geral da resistência ao corte do solo
Se carregarmos o solo coesivo com uma carga P, esta carga provocará o assentamento do solo e, em primeiro lugar, sob a sua ação, o ar será expulso dos poros, de modo que em breve restará apenas água nos poros. Como, devido à baixa permeabilidade do solo coesivo, a água não pode ser expulsa imediatamente, ela permanece como água sob tensão nos poros e, inicialmente, recebe a carga externa total P. No decorrer do tempo, sob a ação da carga P, a água começa a ser expulsa dos poros e ocorre a aproximação das partículas sólidas, que agora passam a suportar uma parte da carga P. Então temos τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ onde σ é a pressão total da carga P, e u a pressão da água nos poros.
A pressão da água nos poros u depende de vários fatores, como o andamento temporal da consolidação, a permeabilidade do solo, a magnitude da carga do solo etc. A resistência ao corte do solo depende da pressão da água nos poros e é máxima para u=0, quando ocorre a consolidação do solo.
Atividade coloidal do solo
Os elementos da resistência interna do solo, coesão e atrito, podem ser diferentes e dependem em grande medida da granulometria das partículas sólidas do solo e de suas propriedades plásticas. Com o objetivo de determinar a influência da coesão em relação à resistência ao atrito interno do solo coesivo, Skempton introduziu o conceito de atividade coloidal do solo _K_P, que é representado pela relação do índice de plasticidade IP com a quantidade de partículas menores que 0,002 mm em % do peso de toda a massa. Para isso, foi adotado o seguinte critério (fig. 3):
Fig. 3. Atividade coloidal do solo
Para KP < 0,75 são argilas inativas,
para KP = 0,75 – 1,25 são argilas normais,
para Kp > 1,25 de argila ativa.
Com o aumento de KP, cresce a influência da coesão em relação ao atrito interno do solo coesivo.
Sensibilidade do solo
Se, num solo coesivo, retirarmos um cilindro de diâmetro 3—3,4 cm e de altura ~ 5 cm, e o carregarmos com uma carga normal, no momento da ruptura do cilindro obteremos a resistência à compressão do solo no estado não perturbado σ__ₙ:
σn = P/A em kp/cm2,
onde A é a secção transversal do cilindro.
Após o ensaio concluído, o provete partido é deslocado e volta-se a moldar um cilindro das mesmas dimensões, utilizando o mesmo cilindro-molde, mantendo-se a sua humidade igual à que tinha no ensaio anterior. Em seguida, logo após a execução do cilindro remoldado, repete-se com ele o ensaio, de modo a obter a resistência à compressão do solo em estado perturbado σ__ₚ.
Sensibilidade (sensitividade) S__ₜ é a relação entre a resistência à compressão no estado não perturbado e a resistência à compressão no estado perturbado: St = σn/σp,
Segundo um critério, a sensibilidade S__ₜ é avaliada da seguinte forma:
- para S__ₜ = 1 — 2 a sensibilidade da argila é pequena,
- para S__ₜ = 2 — 4 é a sensibilidade média da argila,
- para S__ₜ = 4 — 8 é elevada a sensibilidade da argila,
- para S__ₜ > 8 é argila muito sensível.
Na natureza acontece que, devido a uma ação mecânica, por exemplo um sismo, o solo argiloso perde subitamente a sua resistência, que depois recupera em estado de repouso. Esta propriedade chama-se tixotropia do solo. Muitas argilas apresentam, em certa medida, propriedades tixotrópicas. São conhecidos casos de deslizamento de taludes de escavação devido à fluência de argila tixotrópica na Noruega, Suécia e Finlândia, onde os ensaios mostraram que não houve alteração da humidade da argila durante este processo, isto é, que a humidade da argila permaneceu constante antes e depois da fluência.