Nota importante de especialista: Este artigo é uma revisão educacional de arquivo e não é um estudo geotécnico, um padrão de laboratório válido, um cálculo de fundação ou um manual de instruções. Os termos, procedimentos, unidades de medida, valores, classificações e referências originais aos “nossos regulamentos” foram transferidos sem verificação da conformidade com as normas e regulamentos aplicáveis. Os testes de solo, a escolha do método, a interpretação dos resultados e as decisões de projeto devem ser realizados por especialistas geotécnicos autorizados e pelo laboratório apropriado para um objeto e local específico.
O tema da compressibilidade do solo não faz parte da nova oferta pública de Savo Kusić. O foco de produção atual consiste em janelas de madeira, janelas de madeira-alumínio e portas personalizadas. Para um projeto específico de janela ou porta, você pode enviar solicitação de orçamento.
Base do teste do edômetro
A compressibilidade do solo é determinada por um teste de compressão com expansão lateral evitada, também chamado de teste de edômetro ou teste de consolidação.
O teste é realizado com amostras não perturbadas e, em alguns casos, com amostras perturbadas. No primeiro caso, a amostra de teste é retirada pressionando anéis de metal em uma amostra maior e não perturbada, que é então alimentada no aparelho junto com o anel após cortar o excesso de amostra e nivelar suas superfícies com as bordas do cilindro. No segundo caso, o anel é preenchido com uma amostra no estado de consistência no ponto de escoamento e nesse estado é introduzida no oedômetro.
O teste é realizado utilizando o aparelho que foi construído pela primeira vez por Terzaghi e denominado Oedômetro. Hoje existem diversas construções deste aparelho, mas todas se baseiam no mesmo princípio, testando a compressão de uma amostra de solo sob carga com expansão lateral evitada.
Oedômetro: descrição do dispositivo
Fig. 1. Odômetro
Oedômetro consiste em um cilindro metálico no qual a amostra está localizada entre duas pedras filtrantes (fig. 1). A amostra é introduzida no aparelho em um anel de metal com diâmetro de 7-10 cm e altura de 1-4 cm. A carga P é transferida para a amostra através da pedra filtrante superior. Abaixo da pedra do filtro inferior, existem canais no fundo do cilindro para drenagem da água da amostra para o tubo capilar, bem como para abastecimento de água. Como a compressão da amostra é feita às custas dos poros, pois as partículas sólidas do solo e a água nos poros são praticamente incompressíveis, é necessário garantir que a água escoe da amostra durante o ensaio, o que é possível por meio de uma pedra filtrante, um canal e um tubo capilar.
No lado esquerdo do dispositivo há um tubo de abastecimento de água com torneira na frente do cilindro, enquanto um tubo capilar está no lado direito, com torneira atrás do cilindro. O tubo capilar também é usado para determinar o coeficiente de permeabilidade do solo k.
Exame
Quando a amostra for colocada no cilindro e o aparelho montado, feche a torneira esquerda, o abastecimento de água, e abra a torneira direita, para que a água escoe para o tubo capilar. Em seguida, aproxima-se a carga da amostra, que é aplicada gradativamente. Geralmente são aplicadas as seguintes cargas: 0,50; 1,00; 2,00; 4,00; 6,00 kp/cm2 e mais até a maior carga de solo esperada sob a construção, principalmente até 10 kp/cm2, e para barragens pode ser ainda mais até 20 kp/cm2. Em cada nível de carga, no momento de sua aplicação, o cronômetro é acionado e em determinados intervalos de tempo 15“, 30“, 1’, 2’, 5’, 15’, 45’, 2h, 5h, 24h, depois a cada 24h, até a consolidação da amostra sob aquele grau de carga, o assentamento correspondente em milésimos de milímetro é lido no comparador e registrado no registro. Para consolidação, presume-se que ela foi alcançada se o assentamento da amostra Δh ≤ 0,02 mm por um tempo de 24 hora. Após a consolidação ser alcançada, o próximo nível de carga é aplicado e todo o procedimento é repetido da mesma forma e assim sucessivamente até o nível final de carga.
O ensaio de consolidação com expansão lateral evitada é realizado com carga e descarga, para determinar as propriedades elásticas do solo. Tendo carregado a amostra até certo ponto, nós a descarregamos com a mesma gradação com que a carregamos. O alívio geralmente é feito após 2,0 kp/cm2, 4,0 kp/cm2 e 6,0 kp/cm2.
Via de regra, o teste é realizado com a amostra debaixo d’água, que é mantida no tubo de vidro esquerdo na altura da superfície superior da amostra no aparelho. O teste de compressibilidade da amostra na presença de água é feito por este motivo, pois o teste leva muito tempo e a amostra seca durante esse tempo, fazendo com que a compressibilidade da amostra seria inferior à compressibilidade real do solo em seu estado de umidade natural. Além disso, a umidade natural do solo pode ser maior do que era no momento da amostragem, especialmente quando o nível do lençol freático sobe, o que pode levar a um desvio significativo da compressibilidade real do solo durante o período de alto nível de água.
Os resultados do teste são aplicados a três tipos de diagramas, nomeadamente o diagrama de compressão relativa, o diagrama de mudança do coeficiente de porosidade e o diagrama de liquidação de tempo.
Diagrama de compressão relativa
Este diagrama é obtido quando a pressão normal é aplicada à amostra no eixo de abcissas σ = P/A, onde P é a carga que atua na amostra através da pedra de filtro superior em kp/cm2, A é a área da seção transversal da amostra no aparelho, e no eixo das ordenadas é a compressão relativa Δh/h onde Δh é o assentamento de a amostra sob carga Δσ durante a consolidação, h altura da amostra antes do carregamento (fig. 2).
Fig. 2. Diagrama de compressão relativa
Durante o carregamento, diagrama de compressão primária a.
Durante a descarga, se a entrada desimpedida de água estiver habilitada, de modo que a amostra permaneça submersa durante a descarga, ela retornará ao seu estado original, ou seja, inchando. Porém, a amostra não retorna ao seu estado inicial, o que significa que sofreu deformação plástica (permanente) além de elástica. Portanto, neste caso, o diagrama de dilatação b é obtido durante o descarregamento. Porém, se o teste foi realizado sem receber água, em vez de um diagrama de dilatação, o chamado diagrama de elasticidade.
Se a amostra for carregada novamente após o descarregamento, o diagrama de compressão secundário c será obtido. O diagrama de expansão e o diagrama de compressão secundária c formam um loop de histerese entre eles. Na argila, os loops de histerese são significativos e portanto as deformações na área de inchamento e compressão secundária (diagramas b e c) não são consideradas elásticas, mas sim reversíveis, pois não são proporcionais à carga segundo a lei de Hooke. As deformações na área de compressão primária (diagrama a) na parte onde não retornaram são permanentes (irreversíveis).
Módulo de compressibilidade do solo
A partir do diagrama de compressão relativa, obtemos de acordo com a lei de Hooke de forma análoga ao módulo de elasticidade de Jung E para um material elástico, o módulo de compressibilidade do solo Ms
Ms = Δσ / (Δh/h) [kp/cm2],
onde Δσ é o incremento de carga, Δh/h é a compressão relativa correspondente, que é retirada do diagrama de compressão primária a (fig. 2).
O módulo de compressibilidade do solo Ms difere do módulo de elasticidade E de um material elástico, porque Ms não é constante para um mesmo material, mas é variável e aumenta com a carga normal σ. Portanto, um valor específico do módulo de compressibilidade Ms pode ser fornecido apenas para um intervalo estreito de carga normal do solo Δσ. Se o valor do módulo Ms for maior, a compressibilidade do solo é menor e vice-versa. De acordo com nossos regulamentos de fundação, é adotado o seguinte critério para o módulo de compressibilidade do solo em seu estado natural:
A classificação abaixo é herdada do texto original, incluindo o intervalo repetido 100-400 kp/cm2. Não foi verificado ou harmonizado com os regulamentos atuais.
Ms = 0 - 20 kp/cm2 solo extremamente compressível
Ms = 20 - 50 kp/cm2 solo muito compressível
Ms = 50 - 100 kp/cm2 solo compressível médio
Ms = 100 - 400 kp/cm2 solo menos compressível
Ms = 100 - 400 kp/cm2 solo ligeiramente compressível
Ms = 400 - 1000 kp/cm2 solo ligeiramente compressível
Ms > 1000 kp/cm2 solo de compressão muito baixa.
Módulo de elasticidade do solo
Da mesma forma, obtemos o módulo de elasticidade do solo E:
E = Δσ / (Δh/h)[kp/cm2],
onde o incremento de compressão relativo Δh/h é retirado do diagrama de elasticidade do solo para o incremento de pressão normal correspondente Δσ.
Solo normal consolidado e superconsolidado
Fig. 3. Diagrama de mudanças no coeficiente de porosidade da amostra de solo perturbada
Se realizarmos um teste de edômetro com uma amostra perturbada, que inserimos no aparelho no ponto de escoamento, e plotarmos os resultados do teste no diagrama da mudança no coeficiente de porosidade e dependendo da pressão σ (Fig. 3), o fluxo de consolidação é representado pelos diagramas 1 para a carga primária, 2 para descarga, 3 para carga secundária até o limite a da extensão de carga primária σa e 4 além desse limite.
O diagrama de descarga 2 e o diagrama de compressão secundária 3 formam um loop de histerese atrás do qual o diagrama 4 continua na extensão do diagrama 1, sem interrupção, como se não houvesse descarga e recarga.
Fig. 4. Diagrama de mudança do coeficiente de porosidade da amostra de solo não perturbada
No entanto, se realizarmos o teste do edômetro da mesma maneira que antes com uma amostra não perturbada retirada de uma certa profundidade do solo (fig. 4), o diagrama de carga secundária 3 mostrará uma quebra σb no ponto b em uma determinada carga, após o qual o diagrama 4 terá uma inclinação maior. Essa fratura ocorreu porque o solo do qual a amostra foi retirada estava sob uma carga p=γt maior que a carga da amostra σ no edômetro. A maior carga p origina-se do peso das camadas superiores do solo existentes sobre a superfície do terreno, o que chamamos de pressão do solo, ou da carga das camadas anteriores do solo arrastadas ao longo do tempo pela erosão ou pelo solo moreno ou gelo, que chamamos de pré-carga. O aparecimento de sobreconsolidação é particularmente característico da argila, onde distinguimos entre argila normalmente consolidada e sobreconsolidada.
Argila normalmente consolidada
A argila normalmente consolidada está em profundidades menores abaixo da superfície do solo, que não foi previamente exposta à pré-carga. Uma amostra desta argila, carregada no edômetro com cargas superiores ao peso das camadas superiores de “pressão do solo”, apresenta um fluxo contínuo de consolidação, sem quebras no diagrama de compressão relativa ou no diagrama de mudança do coeficiente de porosidade. O recalque desta argila sob a carga do objeto é normal, ou seja, sob uma determinada carga, o recalque diminui com o tempo.
Argila superconsolidada
Argila superconsolidada está em profundidades maiores ou foi previamente exposta à pré-carga. Uma amostra dessa argila carregada no edômetro com pressão superior à pressão ou pré-carga do solo apresenta fratura no diagrama de compressão relativa ou no diagrama de mudança do coeficiente de porosidade, o chamado. fratura geológica g, com forte mudança de direção (fig. 5a). O recalque desta argila sob a estrutura é pequeno para cargas abaixo da pressão do solo ou pré-carga σ1, mas torna-se significativamente maior para cargas acima de σ1.
Se a ruptura geológica não estiver claramente definida, então ela é determinada usando tangentes ao diagrama (fig. 5b).
Fig. 5. Diagrama de mudanças no coeficiente de porosidade da argila superconsolidada
Diagrama de liquidação de tempo
Este diagrama, também chamado de diagrama de consolidação, é obtido quando para cada grau de carga da amostra no edômetro, o tempo t em horas é aplicado ao eixo das abcissas, e o recalque em mm (fig. 6a) ou em % do recalque total (fig. 6b) é aplicado ao eixo das ordenadas.
Fig. 6. Diagrama de liquidação de tempo
Solos não ligados e solos ligados se comportam de maneira diferente sob carga. Solos soltos, como areia, possuem poros grandes, dos quais a água é rapidamente espremida sob carga, de modo que o solo assenta rapidamente, com o maior recalque ocorrendo no início da carga e atingindo o recalque final em uma determinada carga em um intervalo de tempo relativamente curto. Solos coesos, como os argilosos, têm pequenos poros dos quais é difícil extrair água sob carga. Existem duas fases no processo de assentamento do solo compactado. Na primeira fase, logo após a aplicação da carga no solo, como a água não consegue sair pelos poros, ele fica estressado e recebe toda a carga aplicada. No segundo estágio, a água estressada dos poros começa a ser expelida sob sua própria tensão devido à carga, que é gradualmente transferida para as partículas sólidas do solo. Nesta segunda fase, as partículas se juntam e os poros encolhem. O processo de subsidência continua até que a água sob pressão seja forçada para fora dos poros, ou seja, até que o estado de tensão da água nos poros deixe de existir. Portanto, a consolidação do solo é principalmente um problema hidrodinâmico, que depende da permeabilidade e da porosidade do solo. No caso da argila, cuja permeabilidade é baixa, o processo de consolidação pode demorar muito tempo e, além disso, os recalques podem ser significativamente maiores devido à maior porosidade global do que no caso da areia. Com base no teste de consolidação, a evolução do tempo de liquidação pode ser calculada para toda a duração da consolidação e em fases individuais.