Mecânica dos Solos - Unidade 08

Mecânica dos Solos - Unidade 08

(Parte 1 de 9)

Notas de Aula - Mecânica dos Solos 130

UNIDADE 8 - COMPRESSIBILIDADE, ADENSAMENTO E RECALQUES NO SOLO

Compressibilidade é uma característica de todos os materiais de quando submetidos a forças externas (carregamentos) se deformarem. O que difere o solo dos outros materiais é que ele é um material natural, com uma estrutura interna o qual pode ser alterada, pelo carregamento, com deslocamento e/ou ruptura de partículas. Portanto, devido a estrutura própria do solo (multi-fásica), possuindo uma fase sólida (grãos), uma fase fluída (água) e uma fase gasosa (ar) confere-lhe um comportamento próprio, tensão-deformação, o qual pode depender do tempo.

A Figura 8.1, apresenta um elemento de solo saturado submetido a um acréscimo de tensão.

O acréscimo de carga ocasionará uma variação de volume, o qual pode ser devido a compressão da fase sólida, a compressão da fase fluída ou a uma drenagem dos fluídos dos vazios do solo.

Admites-se que os esforços aplicados na prática da engenharia (solo saturado) são insuficientes para comprimir a fase sólida (grãos) e a fase fluída (compressibilidade desprezível). Portanto, o único motivo para que ocorra variação de volume, será devido à redução dos vazios com a conseqüente expulsão da água dos poros. Define-se compressibilidade dos solos como sendo a diminuição do seu volume sob a ação de cargas aplicadas.

A compressibilidade depende do tipo de solo, por exemplo: a compressibilidade em areias (solos não-coesivos) devido a sua alta permeabilidade ocorrerá rapidamente, pois a água poderá drenar facilmente. Em contrapartida, nas argilas (solos coesivos) a saída de água é lenta devido à baixa permeabilidade, portanto, as variações volumétricas (deformações/recalques) dependem do tempo, até que se conduza o solo a um novo estado de equilíbrio, sob as cargas aplicadas. Essas variações volumétricas que ocorrem em solos finos saturados, ao longo do tempo, constituem o processo de adensamento.

Figura 8.1 - Perfil de solo saturado submetido a um acréscimo de tensões.

σ2 u0 = γw . z c) d)

N.T. N.A. z

Notas de Aula - Mecânica dos Solos 131

8.2 Elemento de solo submetido a tensões

A figura anterior apresenta um perfil geotécnico constituído de um solo argiloso saturado, homogêneo e com uma superfície do terreno horizontal, portanto não há tensões tangenciais nas faces do prisma. Existindo três planos ortogonais onde as tensões que atuam são as tensões principais (σ1, σ2 e σ3). Em 8.1(b), o elemento de solo saturado está inicialmente sob as tensões (σ1, σ2 e σ3 (com uma pressão neutra - u0) sem variação de volume (V = V0). No mesmo perfil, agora estando sujeito a um carregamento (∆σ) na superfície do terreno. Devido a este acréscimo de carga surgirá no elemento “A”, um acréscimo de tensões normais e tangenciais determinadas pela teoria da elasticidade (Unidade 7). Em 8.1(c) o elemento sofre um acréscimo triaxial de tensões (∆σ1, ∆σ2 e ∆σ3) ocorrendo simultaneamente um aumento da poro-pressão (u0) devido a baixa permeabilidade do solo. Em 8.1(d) a medida que a pressão neutra (excesso - ∆u) se dissipa, pela saída de água, as deformações vão aparecendo (recalques), portanto o volume do elemento será menor que o volume inicial (V < V0).

8.3 Processo de adensamento - solos finos saturados

A compressibilidade dos solos advém da grande porcentagem de vazios (e = Vv/Vs) em seu interior, pois para os níveis de tensão encontrados usualmente nos trabalhos de engenharia não são capazes de causar variação de volume significativa nas partículas sólidas. Sem erro considerável, pode-se dizer que a variação de volume do solo é inteiramente resultante da variação de volume dos vazios. Reduções de volume ocorrem com a alteração da estrutura à medida que esta suporta maiores cargas: quebram-se ligações interpartículas e há distorções. Disto resulta um menor índice de vazios e uma estrutura mais densa. Uma forma conveniente de estudar o fenômeno é através da analogia mecânica sugerida por TERZAGHI (1943).

8.4 Modelo mecânico de Terzaghi

O modelo compõe-se basicamente de um pistão com uma mola provido de uma saída (Figura 8.2). Inicialmente (antes de t = 0), o sistema encontra-se em equilíbrio. No tempo inicial, há um incremento de pressão externa instantânea (∆P) que provoca um aumento idêntico de pressão na água. Como não houve tempo para o escoamento da água (variação de volume), a mola não sofre compressão e, portanto, não suporta carga. Há, a partir daí, processo de variação de volume com o tempo, pela saída da água, e, simultaneamente, ocorre à dissipação da pressão do líquido. Gradativamente, aumenta a tensão na mola e diminui a pressão da água até atingir-se a condição final da Figura 8.2(e). Uma vez que a pressão externa está equilibrada pela pressão da mola, não há mais compressão e o adensamento está completo.

Este modelo guarda a seguinte analogia com os solos reais: a mola representa o esqueleto mineral e a tensão que ela suporta é denominada de tensão efetiva; a água representa o líquido no interior dos poros ou vazios do solo e sua pressão é dita poro-pressão ou pressão neutra; a pressão externa será sempre equilibrada pela poro-pressão e/ou pela tensão efetiva.

A diferença fundamental de comportamento é que os solos continuam apresentando alguma variação de volume, mesmo após o final do que se denomina adensamento primário (e que corresponde à analogia de Terzaghi). Há saída de água mesmo com poro-pressão praticamente nula (compressão secundária, item 8.16) Algumas observações, obtidas a partir do modelo, que são importantes:

a) a diferença de altura entre o inicio e o final do fenômeno (h0 - hf) depende da rigidez da mola e seu comprimento e do incremento de tensão vertical (∆P); b) o tempo para atingir-se a condição final, isto é, de (∆u = 0), varia com a abertura da válvula de saída de água.

Notas de Aula - Mecânica dos Solos 132

(b)(c) (d) (e)
u = u0 t = 0t > 0 t = ∞

σ‘= p’0 u = u0 + ∆P u0 < u < u0 + ∆P u = u0

∆V = 0 ∆V > 0∆V > 0

p’0 = P/A σ‘= p’0 p’0 < σ‘ < p‘0 + ∆P σ‘ = p‘0 + ∆P

Figura 8.2 - Analogia hidromecânica para ilustrar a distribuição de cargas no adensamento. (a) exemplo físico; (b) analogia hidromecânica; estado inicial; (c) carga aplicada com a válvula fechada; (d) o pistão desce e a água começa a escapar; (e) equilíbrio sem mais saída de água; (f) transferência gradual de carga.

Nos solos, o fenômeno comporta-se de modo similar:

a) o recalque total depende da rigidez da estrutura do solo, da espessura da camada e do incremento de carga vertical; b) o tempo de dissipação da pressão neutra depende da permeabilidade do solo e das condições de drenagem que há nos contornos da camada (ver item 8.7)

Pistão Poroso

Nível inicial da água N.A.

SOLO (a) Pistão(b)

P Válvula

Mola

Câmara cheia de água

P + ∆PA água escapa lentamente

O pistão desce

A mola se comprime

Diminui a pressão da água (d) Pistão (c)

P + ∆P Válvula fechada

Água sob pressão h0

P + ∆P Nível de equilíbrio da água

A mola resiste à carga

Não se transmite pressão a água (e) hf ∆h

A mola

A água For ça

Tempo ( f )

Força aplicada

Notas de Aula - Mecânica dos Solos 133

É a intervenção do homem nestes fatores, com seu conhecimento prévio, que conduz às diversas soluções construtivas.

A Figura 8.3 representa, qualitativamente, as variações de tensões e de volume que se processam ao longo do fenômeno de adensamento. Portanto, o processo de adensamento corresponde a uma transferência gradual do acréscimo de pressão neutra (provocado por um carregamento efetivo) para tensão efetiva. Tal transferência se dá ao longo do tempo, e envolve um fluxo de água com correspondente redução de volume do solo.

Figura 8.3 - Variações de tensões e de volume durante o adensamento.

8.5 Teoria de adensamento de Terzaghi

(Parte 1 de 9)

Comentários