Determinação da coesão e ângulo de atrito interno

Hoje, Savo Kusić está focado em janelas de madeira, janelas de madeira-alumínio, janelas personalizadas, portas e pedidos de orçamento. Este texto permanece como um arquivo geotécnico e não é uma oferta para ensaios laboratoriais, projetos geotécnicos ou terraplenagens.

Existem diversas maneiras de determinar os elementos de resistência interna do solo, coesão e ângulo de atrito interno usando experimentos de laboratório, dentre os quais os ensaios de cisalhamento direto e compressão triaxial são os mais famosos.

Experiência de cisalhamento direto

O teste é realizado em um aparelho com seção retangular do tipo A. Casagrandea ou em aparelho circular do tipo Hvorsleva. Descreveremos o experimento com o dispositivo de seção retangular, que é o mais utilizado. Em ambos os casos, o ensaio é realizado com uma amostra indeformada, ou com uma amostra perturbada no ponto de escoamento, caso em que o ensaio tem valor comparativo.

Aparelho para cisalhamento direto de uma seção retangular (fig. 1)

Fig. 1_Seção transversal do aparelho de cisalhamento direto de Casagrande_

O dispositivo é composto por duas partes, a moldura superior e inferior, onde a inferior é estática, enquanto a superior é móvel e pode ser movida sobre a inferior sob a influência da força horizontal Z, que atua no plano de contato da moldura superior e inferior.

A amostra de solo é colocada em um anel retangular de aço, geralmente do tamanho 100 × 100 × 30 mm, ou aquelas dimensões quando raspada com precisão. Pedras filtrantes são colocadas na parte superior e inferior da amostra e, em seguida, tudo é colocado no anel do aparelho, que é preenchido com água. Um dispositivo para carregamento vertical é colocado na amostra. A pedra filtrante superior é conectada ao sistema de carregamento vertical da amostra, enquanto a inferior é conectada aos canais de água, por meio dos quais a amostra pode ser mantida em estado saturado durante o teste, a fim de excluir coesão aparente.

Para excluir o atrito nas superfícies de contato entre a moldura superior e inferior, existem dispositivos com a moldura superior torcida, por meio dos quais a moldura superior se move sob o efeito da força de cisalhamento horizontal. Além disso, as superfícies de contato da estrutura superior e inferior são revestidas com vaselina. Outro comparador 2 para registrar deformações verticais e horizontais está incluído no dispositivo.

Teste de cisalhamento direto

Existem principalmente tipos 2 de teste de cisalhamento direto: teste rápido e lento. O teste Rápido consiste em carregar a amostra com uma certa pressão vertical, que normalmente equivale a 0,50, após ser introduzida no aparelho; 1,0; 2,0; 3,0 e 4,0 kp/cm2, aguarde a consolidação, que é considerada como tendo sido alcançada se o assentamento durante 24 horas Δh ≤ 0,02 mm, e então aplique força de cisalhamento horizontal Z, tamanho 1/20 ou 1/40 parte da força vertical P, que aumenta a cada minuto no mesmo valor até o rompimento do solo. Durante a aplicação da força de cisalhamento horizontal, o curso do movimento da estrutura superior é constantemente monitorado pela leitura no comparador e as deformações horizontais são registradas no perfil imediatamente antes de cada nova carga. O momento em que o comparador apresenta um movimento brusco é adotado como inovador.

O teste rápido é aplicado em solos argilosos, cuja consolidação natural sob uma nova carga é lenta e corresponde a este método de realização do teste.

Slow é realizado de maneira semelhante ao anterior, com a única diferença de que a força de cisalhamento horizontal aumenta em um intervalo de tempo mais longo, que pode ser 2, 5 e 15 m minutos ou até a consolidação, ou seja, até que as deformações horizontais se tornem completamente insignificantes. O curso da consolidação sob o efeito da força horizontal é monitorado no comparador 9 (fig. 1).

O ensaio lento é aplicado em solo arenoso ou poeirento, onde no caso de aumento da força de cisalhamento horizontal em um curto intervalo de tempo, o cisalhamento da amostra no aparelho aceleraria devido ao efeito da água estressada nos poros, o que não corresponderia a um processo natural. Portanto, o intervalo de tempo aumenta com a finura das partículas de solo não ligadas, de modo a permitir a equalização da pressão da água nos poros do solo com a pressão externa da água. Esta equalização é conseguida deixando tempo suficiente sob o efeito de cada nível de carga horizontal, para que o excesso de água nos poros seja espremido através da pedra filtrante.

Além dos ensaios mencionados, em certos casos é realizado um ensaio rápido sem consolidação sob carga vertical, ou seja, a força de cisalhamento horizontal é aplicada imediatamente após a introdução da amostra no aparelho e o carregamento com uma carga vertical. No entanto, este método de execução é aplicado em condições especiais, como no caso de um aterro de solo argiloso recém-instalado, que é carregado imediatamente após o aterro, sem compactação prévia.

Determinação do ângulo de atrito interno e coesão

Com base nos resultados do teste, a tensão de cisalhamento

τ=Z/A em kp/cm², ​

que é obtido a partir da força cortante Z em kp no momento da ruptura e da área da seção transversal da amostra A em cm². O teste é feito com aparelhos 3 a 4 carregados com diferentes pressões normais σ=P/A em kp/cm², onde P é a carga vertical da amostra em kp. Geralmente são considerados os seguintes valores de pressões normais: 1,0; 2,0; 3,0 e 4,0 kp/cm².

Fig. 2. Diagrama de deformações horizontais

Com base no diagrama de elementos de atrito interno, são obtidos dois tipos de diagramas 1 e um diagrama de deformações horizontais (fig. 2).

O diagrama de deformações horizontais é obtido aplicando o deslocamento horizontal ΔL em mm da moldura superior do dispositivo ao inferior no eixo de abcissas, que é obtido pela leitura do comparador 9, e no eixo das ordenadas a tensão de cisalhamento correspondente τ em kp/cm² (fig. 2).

Dependendo da compactação do solo, obtém-se o diagrama 1 para material compactado e o diagrama 2 para material solto.

Para um material compactado, a tensão de cisalhamento τ aumenta inicialmente de forma bastante acentuada em relação ao deslocamento horizontal ΔL até o limite de proporcionalidade P, depois mais lentamente, em que a curva do diagrama 1 aumenta e atinge uma altura máxima B, após a qual o diagrama diminui ao longo de um certo comprimento, para eventualmente atingir o fluxo horizontal. A zona de subida em linha reta do diagrama de deformação horizontal, em que o aumento da tensão de cisalhamento é proporcional ao aumento da deformação, é assumida como a área de deformação elástica. Além do limite P, o aumento da tensão de cisalhamento diminui de acordo com o aumento das deformações ΔL até o ponto mais alto B do diagrama. Nesta zona o material começa a “fluir” e é adotado como área de deformação plástica. O ponto mais alto B do diagrama 1 representa a tensão de cisalhamento máxima max τ, e assume-se que a fratura do solo ocorre neste ponto, ou seja, que o ponto B é o ponto de ruptura. Além do ponto B, o material está no estado líquido, a resistência ao cisalhamento diminui, e assume-se que nesta zona, onde a ligação entre as partículas é quebrada, existe apenas resistência ao deslizamento que se opõe à força de cisalhamento horizontal. O ponto G onde o diagrama 1 gira para a direção horizontal é adotado como limite deslizante.

A tensão de cisalhamento no limite de ruptura B é chamada de resistência ao cisalhamento ou resistência ao cisalhamento pura τf, enquanto a tensão de cisalhamento no limite de escoamento G é chamada de resistência ao deslizamento τg.

Para um material solto, o diagrama de deslocamento horizontal também possui uma região elástica com limite de proporcionalidade P, mas a jusante há uma região plástica até o limite de deslizamento G, ou seja, a tensão de cisalhamento máxima é igual à resistência limite, deslizamento (τ=τg), além do qual o estado líquido do material.

Fig. 3. Diagrama de cisalhamento, a) para solos coerentes, b) para solos incoerentes

O diagrama de cisalhamento é obtido quando a pressão normal σ em kp/cm2 é aplicada ao eixo de abcissas, e a resistência ao cisalhamento correspondente τf em kp/cm2 é aplicada ao eixo das ordenadas, onde ambos os valores são aplicados na mesma escala (fig. 3). Como a resistência ao cisalhamento τf do solo aumenta com a pressão normal σ, para diferentes pressões σ1 serão obtidos os pontos A, B, C e D, que representam as resistências ao cisalhamento correspondentes.

Para obter certos pontos A, B, C e D no diagrama 3 para solos coerentes (fig. 3a), é adotada a resistência ao deslizamento _τ_g. Porém, no caso de solo argiloso, o material começa a fluir muito antes do limite de deslizamento G ser atingido, e há uma tendência de adotar a resistência ao cisalhamento no limite da proporcionalidade P para determinar a coesão c e o ângulo de atrito interno do solo, mas por ser relativamente pequeno, muitas vezes é adotada a resistência ao cisalhamento para a qual a deformação ΔL no diagrama 2 é o dobro da deformação no nível anterior de carregamento no aparelho. Essa força está em algum lugar entre a fronteira de P e B, ou seja, G (fig. 2).

Conectando os pontos A, B, C e D no diagrama 76a fornece um diagrama de cisalhamento, que é uma linha reta em testes bem-sucedidos. Ao estender o diagrama até a intersecção com o eixo das ordenadas, para σ = 0, obtém-se com base no padrão de Coulomb τf = c+σ tgϕ que τf = c = coesão do solo, enquanto a inclinação do diagrama em direção à horizontal dá o ângulo de atrito interno. Ao estender o diagrama de cisalhamento do outro lado do eixo das ordenadas, a tensão devida à coesão pk é obtida no eixo das abcissas, quando a magnitude da coesão c é expressa como o equivalente à resistência ao atrito:

c = pk tgϕ, de onde pk = c/tgϕ

Para solos incoerentes, como areia, o diagrama da fig. 3b, que passa pela origem da coordenada, pois para σ = 0 obtemos τ = 0. Porém, se a areia for de granulação fina e úmida, um diagrama semelhante ao da fig. 3a, com menor coesão c, que representa coesão aparente. Nesse caso, a tensão pk no eixo de abcissas estendido no outro lado da origem da coordenada representa a tensão capilar.

Deve-se notar que a determinação da coesão e atrito do solo por teste de cisalhamento direto tem várias desvantagens, as mais importantes das quais são que a falha do solo ocorre em uma superfície de cisalhamento predeterminada e não na superfície de menor resistência ao cisalhamento, que durante o cisalhamento da amostra no aparelho, a superfície de cisalhamento é reduzida devido ao movimento da estrutura superior na inferior, então as deformações da amostra durante o cisalhamento só podem ser monitoradas em um comprimento curto, de modo que a resistência ao deslizamento além do limite não pode controlar a fratura de forma suficiente, especialmente no caso de solo macio quando as deformações durante o cisalhamento são grandes, etc.

Teste de compressão triaxial

O teste é realizado em um aparelho triaxial, que possui construções diferentes, mas todas baseadas no mesmo princípio, que é o seguinte. A amostra não perturbada em forma de rolo é colocada verticalmente no suporte e exposta à pressão lateral da massa líquida de todos os lados e depois à pressão vertical, que aumenta gradativamente, até que a fratura da amostra seja causada na superfície de menor resistência ao cisalhamento. Com base na resistência ao cisalhamento na ruptura, são calculados a coesão e o ângulo de atrito interno do solo.

Descrição do dispositivo triaxial

Fig. 4. Aparelho triaxial

O aparelho triaxial (fig. 4) consiste na parte inferior da placa de base da câmara, sobre a qual repousa o suporte de amostra, e na parte superior do pistão para carregamento vertical da amostra e na placa superior que fecha a câmara. As dimensões de amostra mais comuns são diâmetro ϕ=36 mm, altura h=2,2-2,5_ϕ_. O diâmetro da câmara é D=135mm, altura H = 180 mm. Um tubo estreito K1 para drenar a amostra do fundo começa no centro do suporte de amostra, que recebe a água da amostra através de uma placa porosa e a drena para fora da câmara em um tubo de vidro vertical C1. Se o teste for realizado sem drenar a amostra, este canal serve para medir a pressão da água nos poros. Na base de bronze da câmara existe um canal K2 para fornecimento de massa líquida a fim de preencher a câmara e obter pressão lateral na câmara sobre a amostra.

Através da placa superior da câmara passa a alça do pistão para carregar a amostra. A amostra na câmara é cercada por uma membrana de borracha, que se estende em ambas as extremidades e é conectada ao pistão e à base por meio de anéis de borracha. No meio do pistão existe um canal K3 para drenar a amostra do lado superior.

As laterais da câmara são hermeticamente vedadas com um cilindro de Plexiglas que é fixado às placas superior e inferior da câmara por meio de anéis de borracha.

A câmara é colocada sobre uma base sólida. O carregamento normal da amostra é feito através de uma alavanca com pesos, cuja proporção é mais frequentemente 1: 10. O sistema para obtenção de pressão lateral sobre a amostra na câmara é composto por um frasco com massa líquida B, que é trazido para dentro da câmara por meio de um tubo, um manômetro para medição da pressão do ar e um frasco com ar comprimido. Um comparador é colocado acima do pistão para carregar a amostra para medir o assentamento da amostra sob carga.

A pressão lateral da massa líquida na câmara pode ser ajustada à vontade usando a pressão do ar na garrafa B, através das válvulas V1 e V2. Esta pressão causa tensões horizontais na amostra σ2 e σ3, que devido à seção circular da amostra são equalizadas σ2 = σ3.

A massa líquida pode ser água destilada ou óleo, que é preferível para melhor vedação, pois a água pode passar pelos parafusos. Sob a influência da pressão do ar na garrafa B, a massa líquida enche a câmara até a válvula V6, que então fecha. A carga vertical da amostra P, que é transferida quase sem atrito para a amostra através da alça do pistão, dividida pela área da seção transversal da amostra A dá a tensão vertical σ1 = P/A

Realizando teste de compressão triaxial

Para a amostra de teste, ela é processada em um aparelho separado, de modo que seja obtido um rolo com diâmetro de 36 mm, altura de 78 mm ou 90 mm, no qual são colocadas pedras de filtro por cima e por baixo e uma membrana de borracha é colocada. Em seguida, a amostra junto com as pedras do filtro é colocada no suporte da câmara, as extremidades, as membranas de borracha são puxadas sobre o suporte e o pistão de carregamento e fixadas com anéis de borracha. De acordo com a prática de alguns laboratórios, como o Prof. Skempton em Londres, a drenagem da amostra na câmara durante o teste é acelerada revestindo as laterais da amostra com papel de filtro, que é colocado antes de a membrana de borracha ser puxada. Quando a amostra é introduzida no aparelho e o cilindro de Plexiglas é fixado nas placas superior e inferior, é possível realizar testes, que podem ser realizados de diversas formas, como a seguir:

1. Ensaios não drenados. Nestes ensaios não é permitida a drenagem da amostra durante a aplicação do ensaio lateral e vertical, enquanto as válvulas V4 e V5 estiverem fechadas.

2. Testes não drenados com consolidação. Durante a aplicação de pressão lateral, a amostra é drenada (as válvulas V4 e V5 estão abertas), enquanto durante a aplicação de pressão vertical a drenagem não é permitida (V4 e V5 estão fechadas).

3_) Amostras drenadas_. A amostra é drenada durante toda a duração do teste (as válvulas V4 e V5 estão abertas), para que ocorra a consolidação completa e nenhuma água estressada seja criada nos poros durante a aplicação da pressão vertical σ1. Este teste é demorado, principalmente em solos pouco permeáveis, pois o carregamento vertical σ1 deve ser realizado em um grande número de pequenas etapas e a consolidação deve ser aguardada em cada etapa. Além disso, os testes mencionados podem ser realizados com amostras saturadas e parcialmente saturadas._

Diante das possibilidades acima mencionadas, os ensaios de compressão triaxial podem ser realizados em diferentes variantes e ajustados de acordo com o tipo de solo sob condições de carga.

Os dispositivos, procedimentos, unidades, valores e padrões descritos são transferidos de uma fonte histórica. O texto não constitui estudo geotécnico, protocolo laboratorial, projeto de fundação, comprovação de estabilidade de talude ou plano de escavação. A escolha da amostra e do método de ensaio, o estado de drenagem e consolidação, as águas subterrâneas, o regime de carga, as influências sísmicas e a segurança da escavação devem ser determinados para o solo e edifício específicos, de acordo com os regulamentos atuais, com o laboratório apropriado e especialista geotécnico autorizado.