Jeferson Ever Menacho Caso Características de Resistência Não Saturada de um Solo Coluvionar e um...
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Jeferson Ever Menacho Caso
Características de Resistência Não Saturada de um Solo Coluvionar e um Solo Saprolítico de Tinguá, RJ
Dissertação de Mestrado
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio
Orientador: Prof. Tácio Mauro Pereira de Campos
Rio de Janeiro
Abril de 2014
Jeferson Ever Menacho Caso
Características de Resistência Não Saturada de um Solo Coluvionar e um Solo Saprolítico de Tinguá, RJ
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil do Centro Técnico da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.
Prof. Tácio Mauro Pereira de Campos Orientador
Departamento de Engenharia Civil – PUC-Rio
Prof. Eurípedes do Amaral Vargas Jr. Departamento de Engenharia Civil – PUC-Rio
Prof. Fernando Antônio Medeiros Marinho Universidade de São Paulo
Prof. Lucio Flavio de Souza Vilar Universidade Federal de Minas Gerais
Prof. José Eugênio Leal Coordenador Setorial do Centro
Técnico Científico – PUC-Rio
Rio de Janeiro, 04 de abril de 2014.
Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador.
Jeferson Ever Menacho Caso
Graduou-se em Engenharia Civil pela Universidade Nacional de Engenharia - UNI em 2007. Principais áreas de interesse: Estabilidade de Taludes e Encostas, Geotecnia experimental com solos não saturados.
Ficha Catalográfica
CDD: 624
Menacho Caso, Jeferson Ever Características de resistência não saturada de um solo coluvionar e um solo saprolítico de Tinguá, RJ / Jeferson Ever Menacho Caso ; orientador: Tácio Mauro Pereira de Campos. – 2014. 177 f. il. (color.) ; 30 cm Dissertação (mestrado)–Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil, 2014. Inclui bibliografia 1. Engenharia civil – Teses. 2. Solo não saturado. 3. Cisalhamento direto com sucção controlada. 4. Solo residual jovem e coluvial. I. Campos, Tácio Mauro Pereira de. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título.
Ao meu Pai e minha Mãe por todo o apoio e amor incondicional A minha esposa e filhos por ser o motivo de superação cada dia
Agradecimentos
A Deus!
Ao professor Tácio Mauro Pereira, por o conhecimento compartido e a amizade.
A meus Pais por todo o apoio.
A minha esposa e filhos por aguardar sempre meu retorno.
Aos meus amigos e colegas da PUC-Rio, em especial a meus amigos com que passe o maior tempo de convivência durante o dia e durante as noites de estudo.
Ao Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio.
À CAPES pelo apoio financeiro.
Resumo Caso, Jeferson Ever Menacho; de Campos, Tácio Mauro Pereira. Características de Resistência Não Saturada de um Solo Coluvionar e um Solo Saprolítico de Tinguá, RJ. Rio de Janeiro, 2014. 177p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
Muitos dos movimentos de massa gravitacionais estão fortemente
associados a uma perda de sucção na resistência ao cisalhamento do solo,
decorrente de variações de umidade de origem natural (variações atmosféricas) ou
de origem artificial (atividade humana). Dentro deste contexto, no presente
trabalho analisou-se a influência da sucção na resistência ao cisalhamento,
determinaram-se as envoltórias de resistência ao cisalhamento na condição não
saturada e avaliou-se a influência de ciclos de umedecimento e secagem na
resistência dos solos. Dois tipos de solos da região de Tinguá/RJ foram
selecionados para estudo: um solo Residual Jovem e um Colúvio. Estes solos
foram submetidos a um programa experimental que consistiu da caracterização
granulométrica e mineralógica do material, seguido da obtenção da curva de
retenção de água pelo método do papel filtro. Os ensaios de resistência ao
cisalhamento envolveram ensaios de cisalhamento direto na condição saturada ou
inundada e, para a condição não saturada, utilizou-se o equipamento de
cisalhamento direto com sucção controlada (CDSC) da PUC-Rio, projetado por de
Campos (1988) e implementado por Fonseca (1991) e Delgado (1993). O
equipamento está baseado na técnica de translação de eixos. Para a determinação
da velocidade de cisalhamento na condição não saturada utilizou-se a metodologia
proposta por Ho & Fredlund (1982). A partir dos resultados obtidos foi possível
obter os parâmetros da envoltória do solo não saturado, Ø’, Øb, e c; e plotar a
superfície 3D da envoltória que relaciona a resistência do solo não saturado com a
tensão normal líquida e a sucção.
Palavras-chave
Solo não saturado; cisalhamento direto com sucção controlada; solo Residual Jovem e um Colúvio.
Abstract
Caso, Jeferson Ever Menacho; Campos, Tácio Mauro Pereira (Advisor) Strength Characteristics of Unsaturated Colluvium and Saprolitc Soils from Tinguá, RJ. Rio de Janeiro, 2014. 177p. MSc. Dissertation – Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
Many of gravitational mass movements are strongly associated with a loss
of suction on shear strength of the soil due to moisture variations of natural origin
(atmospheric variations) or artificial sources (human activity). Within this context,
the present study examined the influence of suction on shear strength, determined
whether the envelopes of shear strength in unsaturated condition and evaluated the
influence of wetting and drying cycles in soil strength. Two types of soils in the
region of Tinguá / RJ were selected for study: A Young Residual soil and
colluvium. These soils were subjected to an experimental program that consisted
of particle size and mineralogical characterization of the material, followed by
obtaining the curve of water retention by the filter paper method. The shear
strength tests involved direct shear tests on saturated or flooded condition and to
unsaturated condition, we used the direct shear device with controlled suction
(CDSC) of PUC-Rio, designed by Field (1988) and implemented by Fonseca
(1991) and Delgado (1993). The device is based on the technique of translation of
the axes. For the determination of the shear rate in the unsaturated condition used
the methodology proposed by Ho & Fredlund (1982). From the results it was
possible to obtain the parameters of the envelope of unsaturated soil, Ø ', b, and c;
and plot the 3D surface of the envelope which relates the strength of unsaturated
soil with net normal stress and suction.
Keywords
Unsaturated Soil; shear direct with controlled suction; Colluvium and Saprolitc Soil.
Sumário
1 Introdução 23
2 Revisão Bibliográfica 25
2.1. Origem dos Solos não saturados 25
2.2. Fases constituintes dos solos não saturados 26
2.3. Sucção 28
2.4. Curva de Retenção do solo não saturado 29
2.4.1. Fatores que influenciam a forma da curva de retenção 30
2.4.2. Métodos de obtenção da Curva de Retenção 34
2.5. Equação de Resistência ao Cisalhamento de solos não saturados 40
2.6. Principais equações para representar a curva de retenção 46
2.7. Modelos de Previsão da Resistencia de um solo não saturado 48
2.8. Estudos dos efeitos dos ciclos de umedecimento e secagem na resistência ao
cisalhamento do solo. 50
3 Equipamento, Rotinas de Ensaio e Programa de Ensaios. 52
3.1. Equipamento 52
3.1.1. Ensaio de Cisalhamento Direto Convencional 52
3.1.2. Ensaio de Cisalhamento Direto Com Sucção Controlada 53
3.1.3. Imposição de sucção com Dessecadores 60
3.1.4. Determinação da curva Característica 61
3.2. Rotinas de Ensaio 62
3.2.1. Ensaio de Cisalhamento Direto Convencional 62
3.2.2. Ensaio de Cisalhamento Direto Com Sucção Controlada 62
3.2.3. Imposição de sucção com Dessecadores 65
3.2.4. Determinação das curvas de Retenção 66
3.3. Programa de Ensaios 67
4 Área de Estudo e Amostragem 69
4.1. Área de Estudo 69
4.1.1. Meio Físico 69
4.1.2. Geologia 70
4.1.3. Aspectos Climáticos 71
4.2. Amostragem 72
5 Caracterizações Física, Química e Mineralógica. 74
5.1. Características Físicas 74
5.1.1. Índices Físicos 74
5.1.2. Análise Granulométrica 74
5.1.3. Limites de Consistência 76
5.1.4. Classificação do Solo 77
5.1.5. Porosidade 77
5.2. Características Químicas 79
5.2.1. Análise Química Total 79
5.3. Características Mineralógicas 80
5.3.1. Análise Térmica Diferencial (ATD) 80
5.3.2. Difração de Raios-X 81
5.3.3. Microscopia Digital de Varredura 84
5.4. Curva de Retenção 86
6 Ensaios de Resistencia 91
6.1. Velocidade de cisalhamento 91
6.1.1. Tempo de Rotura para Ensaios saturados. 91
6.1.2. Tempo de Rotura para Ensaios não saturados. 92
6.2. Ensaios de Cisalhamento direto na condição submersa 97
6.3. Ensaios de Cisalhamento direto na condição não saturada 100
6.3.1. Ensaios com Tensão Normal Líquida Constante 103
6.3.2. Ensaios de Cisalhamento em Função da Tensão Normal Liquida 116
6.4. Ensaios de Cisalhamento direto com ciclos de umedecimento e secado. 123
6.4.1. Ciclo I 124
6.4.2. Ciclo II 132
7 Interpretação de Resultados 136
7.1. Critério de definição de ruptura utilizado 136
7.2. Compressibilidade dos Materiais 137
7.2.1. Amostras Submersas 137
7.2.2. Amostras Não-Saturadas 139
7.3. Resistência ao Cisalhamento 140
7.3.1. Resistência ao Cisalhamento na Condição Submersa 140
7.3.2. Resistencia ao Cisalhamento na Condição Não saturada 142
7.3.3. Comparação dos Resultados Obtidos com Estimativas Indiretas da Resistencia ao
Cisalhamento Através de Formulações Simplificadas 151
7.3.4. Comparação dos Resultados Obtidos com outros materiais encontrados na literatura
152
7.3.5. Influência dos Ciclos de Umedecimento e Secagem na Resistencia ao Cisalhamento.
156
7.3.6. Secagem após a Saturação 156
7.3.7. Saturação após a secagem 158
8 Conclusões e sugestões 160
8.1. Conclusões 160
8.1.1. Caracterização física, química e mineralógica. 160
8.1.2. Compressibilidade 161
8.1.3. Resistencia ao cisalhamento 161
8.2. Sugestões 163
Referências Bibliográficas 164
Apêndice A Calibração dos instrumentos eletrônicos e saturação do disco cerâmico (DAVE)
171
A.1. Calibração dos instrumentos eletrônicos de medição. 171
A.2. Saturação do Disco Cerâmico de Alto Valor de Entrada de Ar (DAVE). 176
Lista de Figuras
Figura 2.1 – Formação do solo não saturado no ciclo hidrológico. Lu and Likos (2004). ..... 26
Figura 2.2 – Elemento de solo não saturado com a fase gasosa continua. (adaptado de
Fredlund e Morgenstern, 1977). .................................................................................... 27
Figura 2.3 – Definição de Sucção Total e suas componentes através de uma membrana
semipermeável, Marinho (2000). ................................................................................... 29
Figura 2.4 – Curva de Retenção típica para um solo siltoso, segundo Fredlund e Xing
(1994). ........................................................................................................................... 29
Figura 2.5 – Influência do tipo de solo na curva de característica, Fredlund e Xing (1994). . 31
Figura 2.6 – Curvas de retenção para dois solos tropicais, Futai (2002). ............................. 32
Figura 2.7 – Curvas de retenção obtidas no trecho seco e trecho úmido da compactação,
Oliveira (2002). .............................................................................................................. 32
Figura 2.8 – Curvas características obtidas seguindo trajetórias de umedecimento e
secagem, Ng e Pang (2000). ......................................................................................... 33
Figura 2.9 – Curvas características obtidas para diferentes tensões liquidas, Ng e Pang
(2000). ........................................................................................................................... 34
Figura 2.10 – Aplicação de sucção por imposição da umidade relativa através dos
dessecadores, Soto (2004). ........................................................................................... 38
Figura 2.11 – Possíveis envoltórias de ruptura para um solo não saturado, adaptado de
Fredlund (2002). ............................................................................................................ 42
Figura 2.12 – Resultados obtidos a partir de ensaios de cisalhamento direto com sucção
controlada plotados nos planos vs. (σ-ua) e vs. (ua-uw), Escário e Sáez (1986). ...... 43
Figura 2.13 – Não linearidade da envoltória de resistência no plano vs. (ua-uw) Fredlund et
al. (1987). ....................................................................................................................... 44
Figura 2.14 – Relação entre curva característica e envoltória de resistência ao cisalhamento,
Fredlund ( 2002) ............................................................................................................ 45
Figura 2.15 – Envoltória de resistência no plano vs. (ua-uw) para diferentes solos, Rassam
e Cook (2002). ............................................................................................................... 45
Figura 2.16 – Determinação gráfica dos parâmetros necessários para calcular os valores de
a, n e m. Fredlund e Xing (1994). .................................................................................. 47
Figura 2.17 – Relação entre o parâmetro de ajuste (k) e o índice de plasticidade (IP)
(Vanapalli & Fredlund, 2000). ........................................................................................ 49
Figura 3.1 – Equipamento de Cisalhamento Direto Convencional da PUC-Rio. ................... 52
Figura 3.2 – Equipamento de Cisalhamento Direto com sucção controlada da PUC-Rio. ... 54
Figura 3.3 – Câmara de Pressão de Ar. ................................................................................ 55
Figura 3.4 – Caixa de cisalhamento Bipartida. ...................................................................... 56
Figura 3.5 – Câmara de Ar comprimido com válvulas para pressão de água e ar. ............... 57
Figura 3.6 – Sistema de aplicação de carga vertical composto por um pendural e braço de
alavanca. ....................................................................................................................... 58
Figura 3.7 – Sistema de extração de bolhas de ar. ............................................................... 59
Figura 3.8 – Sistema de Aquisição de Dados. ....................................................................... 60
Figura 3.9 – Imposição da sucção através dos dessecadores. ............................................. 60
Figura 3.10 – Papel filtro tipo Whatman N°42 utilizado na determinação da curva de
retenção. ........................................................................................................................ 61
Figura 3.11 – Trechos de avaliação para detecção de vazamentos, Adaptado de Delgado
(1993). ........................................................................................................................... 63
Figura 4.1 – Localização da Área de Estudo ......................................................................... 70
Figura 4.2 – Localização dos dois pontos de amostragem dentro do plano geológico. ........ 70
Figura 4.3 - Talude escavado de leucognaisse, a foliação é caracterizada por bandamento
composicional. ............................................................................................................... 71
Figura 4.4 - Feldspato róseo e micas centimétricas característico localmente. .................. 71
Figura 4.5 - Classificação da Reserva Biológica do Tinguá quanto à temperatura e umidade
médias (Fonte: Plano de Manejo da Reserva Biológica do Tinguá). ............................. 72
Figura 4.6 – Talude de retirada da amostra do solo Colúvio (Campus Avançado da PUC-
Rio). ............................................................................................................................... 73
Figura 4.7 – Talude de retirada da amostra do solo Residual Jovem ( Reserva Biológica de
Tinguá). .......................................................................................................................... 73
Figura 5.1 – Curvas granulométricas do solo Colúvio realizado com hexamefosfato de sódio
e água como defloculante respectivamente. ................................................................. 75
Figura 5.2 – Curvas granulométricas do solo Residual Jovem realizado com hexamefosfato
de sódio e água como defloculante respectivamente. ................................................... 76
Figura 5.3 – Curvas de Distribuição de poros respeito ao tamanho dos poros. .................... 78
Figura 5.4 – Curvas de Distribuição Acumulado de poros ao tamanho dos poros. ............... 78
Figura 5.5 – Termograma do solo Residual Jovem. .............................................................. 80
Figura 5.6 – Termograma do solo Coluvio. ........................................................................... 81
Figura 5.7 – Difratograma do material retido na peneira #200 do solo Residual Jovem. ...... 82
Figura 5.8 – Difratograma do material retido na peneira #400 do solo Residual jovem. ....... 82
Figura 5.9 – Difratograma do material retido na peneira #200 do Colúvio. ........................... 83
Figura 5.10 – Difratograma do material retido na peneira #400 do Colúvio. ......................... 83
Figura 5.11 – Distribuição de poros (macroporos) na estrutura do solo Residual Jovem. .... 84
Figura 5.12 – Presença de material cimentante (óxido de ferro) envolvendo os grãos de
quartzo e feldspato na estrutura do solo Residual Jovem. ............................................ 85
Figura 5.13 – Distribuição de poros na estrutura do solo Residual Jovem. .......................... 85
Figura 5.14 –Visualização dos macroporos e microporos na estrutura do Colúvio. .............. 86
Figura 5.15 – Curva de retenção seguindo uma trajetória de umedecimento – solo Colúvio.
....................................................................................................................................... 87
Figura 5.16 – Curva de retenção seguindo uma trajetória de secagem – solo Colúvio. ....... 87
Figura 5.17 – Curva de retenção – solo Residual Jovem. ..................................................... 88
Figura 5.18 – Curva de retenção em função da umidade Gravimétrica – Colúvio. ............... 88
Figura 5.19 – Curva de retenção em função da umidade Volumétrica – Colúvio. ................ 89
Figura 5.20 – Curva de retenção em função do grau de saturação – Colúvio. ..................... 89
Figura 5.21 – Curva de retenção em função da umidade Gravimétrica – Solo Residual
Jovem. ........................................................................................................................... 90
Figura 5.22 – Curva de retenção em função da umidade Volumétrica – Solo Residual Jovem.
....................................................................................................................................... 90
Figura 5.23 – Curva de retenção em função do Grau de Saturação – Solo Residual Jovem.
....................................................................................................................................... 90
Figura 6.1 – Coeficiente de Permeabilidade relativa versus sucção mátrica para o solo
Residual Jovem. ............................................................................................................ 94
Figura 6.2 – Previsão da função permeabilidade não saturada para o solo Residual Jovem.
....................................................................................................................................... 95
Figura 6.3 – Coeficiente de Permeabilidade relativa versus sucção mátrica para o Colúvio. 95
Figura 6.4 – Previsão da função permeabilidade não saturada para o solo o Colúvio. ....... 96
Figura 6.5 – Ensaio de cisalhamento Direto – curva tensão – deslocamento, do solo
Residual jovem. ............................................................................................................. 99
Figura 6.6 – Ensaio de cisalhamento Direto – curva tensão – deslocamento, do Colúvio. . 100
Figura 6.7 – Curvas de deslocamento vertical e variação volumétrica de água que sai ou
entra no C.P em função do tempo de ensaio da série I – solo Residual Jovem. ........ 104
Figura 6.8 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica com
respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série I – solo Residual
Jovem. ......................................................................................................................... 105
Figura 6.9 – Curvas de deslocamento vertical e variação volumétrica de água que sai ou
entra no C.P em função do tempo de ensaio da série I – Colúvio. .............................. 106
Figura 6.10 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica
com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série I – Colúvio. ... 107
Figura 6.11 – Curvas de deslocamento vertical e variação volumétrica de água que sai ou
entra no C.P em função do tempo de ensaio da série II – solo Residual Jovem. ....... 108
Figura 6.12 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica
com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série II – solo Residual
Jovem. ......................................................................................................................... 109
Figura 6.13 – Curvas de deslocamento vertical e variação volumétrica de água que sai ou
entra no C.P em função do tempo de ensaio da série II – Colúvio. ............................. 110
Figura 6.14 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica
com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série II – Colúvio. .. 111
Figura 6.15 – Curvas de deslocamento vertical e variação volumétrica de água que sai ou
entra no C.P em função do tempo de ensaio da série III – solo Residual Jovem. ...... 112
Figura 6.16 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica
com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série III – solo Residual
Jovem. ......................................................................................................................... 113
Figura 6.17 – Curvas de deslocamento vertical e variação volumétrica de água que sai ou
entra no C.P em função do tempo de ensaio da série III – Colúvio. ............................ 114
Figura 6.18 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica
com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série III – Colúvio. . 115
Figura 6.19 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica
com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do cisalhamento da série I – solo
Residual Jovem. .......................................................................................................... 117
Figura 6.20 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica
com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série I – Colúvio. ... 118
Figura 6.21 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica
com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série II – solo Residual
Jovem. ......................................................................................................................... 119
Figura 6.22 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica
com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série II – Colúvio. .. 120
Figura 6.23 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica
com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série III – solo Residual
Jovem. ......................................................................................................................... 121
Figura 6.24 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica
com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série III – Colúvio. . 122
Figura 6.25 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica
com respeito ao deslocamento horizontal do ensaio I.1 com ciclo e sem ciclo de
umedecimento e secagem no Colúvio. ........................................................................ 126
Figura 6.26 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica
com respeito ao deslocamento horizontal do ensaio I.2 com ciclo e sem ciclo de
umedecimento e secagem no Colúvio. ........................................................................ 127
Figura 6.27 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica
com respeito ao deslocamento horizontal do ensaio I.3 com ciclo e sem ciclo de
umedecimento e secagem no Colúvio. ........................................................................ 128
Figura 6.28 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica
com respeito ao deslocamento horizontal do ensaio I.1 com ciclo e sem ciclo de
umedecimento e secagem no solo Residual Jovem. ................................................... 129
Figura 6.29 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica
com respeito ao deslocamento horizontal do ensaio I.2 com ciclo e sem ciclo de
umedecimento e secagem no solo Residual Jovem. ................................................... 130
Figura 6.30 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica
com respeito ao deslocamento horizontal do ensaio I.3 com ciclo e sem ciclo de
umedecimento e secagem no solo Residual Jovem. ................................................... 131
Figura 6.31 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica
com respeito ao deslocamento horizontal dos ensaios II.1, II.2 e II.3 comparadas com a
obtida da condição submersa no solo Colúvio. ........................................................... 134
Figura 6.32 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação volumétrica
com respeito ao deslocamento horizontal dos ensaios II.1, II.2 e II.3 comparadas com a
obtida da condição submersa no solo Residual Jovem. .............................................. 135
Figura 7.1 – Critério de definição dos pontos de ruptura. .................................................... 137
Figura 7.2 – Curva de compressibilidade em função da tensão normal na condição
submersa, para o solo Residual jovem. ....................................................................... 138
Figura 7.3 – Curva de compressibilidade em função da tensão normal na condição
submersa, para o Colúvio. ........................................................................................... 138
Figura 7.4 – Variação do índice de vazios com a tensão normal líquida para o solo Residual
Jovem. ......................................................................................................................... 139
Figura 7.5 – Variação do índice de vazios com a tensão normal líquida para o Colúvio. ... 139
Figura 7.6 – Envoltória de resistência de amostras submersas do solo Residual .............. 141
Figura 7.7 – Envoltória de resistência de amostras submersas do Colúvio. ....................... 141
Figura 7.8 – Envoltória de resistência não saturada no plano Tensão Cisalhante vs. sucção
mátrica do solo Residual jovem. .................................................................................. 144
Figura 7.9 – Envoltória de resistência não saturada no plano Tensão Cisalhante vs. sucção
mátrica do Colúvio. ...................................................................................................... 145
Figura 7.10 – Envoltória de resistência não saturada no plano Tensão Cisalhante vs. Tensão
Normal Líquida do solo Residual jovem. ..................................................................... 145
Figura 7.11 – Envoltória de resistência não saturada no plano Tensão Cisalhante vs. Tensão
Normal Líquida do solo Colúvio. .................................................................................. 146
Figura 7.12 – Variação da coesão aparente com relação à sucção mátrica para o solo
Residual jovem. ........................................................................................................... 147
Figura 7.13 – Variação da coesão aparente com relação à sucção mátrica para o solo
Colúvio. ........................................................................................................................ 147
Figura 7.14 – Variação de Ø’ e Øb com relação à sucção mátrica para o solo Residual
Jovem. ......................................................................................................................... 148
Figura 7.15 – Variação de Ø’ e Øb com relação à sucção mátrica para o Colúvio. ............ 148
Figura 7.16 – Envoltória Tridimensional de Resistência para o solo Residual jovem. ....... 149
Figura 7.17 – Envoltória Tridimensional de Resistência para o Colúvio. ........................... 150
Figura 7.18 – Comparação das envoltórias obtidas com as formulações propostas pelos
autores com a envoltória obtida experimentalmente para o solo Residual jovem. ...... 151
Figura 7.19 – Comparação das envoltórias obtidas com as formulações propostas pelos
autores com a envoltória obtida experimentalmente para o Colúvio. .......................... 151
Figura 7.20 – Comparação das envoltórias de resistência para todos os solos Coluvionares.
..................................................................................................................................... 154
Figura 7.21 – Comparação das envoltórias de resistência para todos os solos residuais. . 154
Figura 7.22 – Comparação das Variações de Øb com a sucção para todos os solos
Coluvionares.................................................................................................................155
Figura 7.23 – Comparação das Variações de Øb com a sucção para todos os solos
Residuais......................................................................................................................155
Figura 7.24 – Superposição dos pares de tensões do ciclo I na envoltória de resistência,
para uma tensão normal líquida de 120 kPa – Colúvio. .............................................. 156
Figura 7.25 – Superposição dos pares de tensões da série I na envoltória de resistência,
para uma tensão líquida de 120 kPa – solo Residual jovem. ...................................... 157
Figura 7.26 – Resistência ao cisalhamento após a saturação versus o nível de sucção
atingido antes da saturação, para uma tensão líquida de 120 kPa – Colúvio. ............ 158
Figura 7.27 – Resistência ao cisalhamento após da saturação versus o nível de sucção
atingido antes da saturação, para uma tensão líquida de 120 kPa – solo Residual
Jovem. ......................................................................................................................... 159
Figura A.1 – Sistema de aquisição de dados. ..................................................................... 171
Figura A.2 – Curva de calibração do transdutor de deslocamento: (a) vertical; (b) horizontal.
..................................................................................................................................... 173
Figura A.3 – Curva de calibração do transdutor de pressão: (a) de ar; (b) de água. .......... 174
Figura A.4 – Curva de calibração da célula de carga: (a) horizontal; (b) vertical. ............... 175
Figura A.5 – Curva de calibração do medidor de variação volumétrico. ............................. 176
Figura A.6 – Curva de Volume percolado vs. Tempo de percolação. ................................. 177
Lista de Tabelas Tabela 2.1 – Técnicas utilizadas para a medição da sucção do solo, Fredlund e Rahardjo,(
1993); Marinho, (1997). ................................................................................................. 34
Tabela 2.2 – Tempos de equilíbrio necessários para medições de sucção total; Marinho
(1997) ............................................................................................................................ 35
Tabela 2.3 – Equações de calibração dos papeis filtro Schleider & Schuell No. 589. e
Whatman No 42, Feuerharmel (2007). ......................................................................... 36
Tabela 2.4 – Níveis de sucção total para diferentes concentrações de NaCl, Lu and Likos
(2004). ........................................................................................................................... 38
Tabela 2.5 – Principais equações de ajuste da Curva de Retenção. Adaptado de Oliveira
(2004). ........................................................................................................................... 46
Tabela 3.1 – Principais Características dos Equipamentos CDSC, adaptado de Fonseca
(1991). ........................................................................................................................... 53
Tabela 3.2 – Concentrações de soluto para as sucções desejadas. .................................... 65
Tabela 3.3 – Séries de ensaios de cisalhamento direto convencional, com sucção controlada
e com ciclos de umedecimento e secagem, respectivamente. ...................................... 67
Tabela 5.1 – Índices físicos das amostras indeformadas. ..................................................... 74
Tabela 5.2 – Resumo da granulometria de cada solo analisado. .......................................... 75
Tabela 5.3 – Limites de consistência e atividade da fracção argila. ...................................... 76
Tabela 5.4 – Classificação IUPAC (Diâmetro de Poros). ..................................................... 77
Tabela 5.5 – Análise Química Total ....................................................................................... 79
Tabela 6.1 – Velocidades de Cisalhamento para a condição Saturada do solo Coluvio. ..... 92
Tabela 6.2 – Velocidades de Cisalhamento para a condição Saturada do solo Residual
Jovem. ........................................................................................................................... 92
Tabela 6.3 Apresenta as velocidades calculadas para os ensaios de cisalhamento direto
com sucção controlada para o solo Residual Jovem. .................................................... 96
Tabela 6.4 Apresenta as velocidades calculadas para os ensaios de cisalhamento direto
com sucção controlada para o Colúvio. ......................................................................... 97
Tabela 6.5 – Índices Físicos no inicio, após o adensamento e no final do ensaio – solo
Residual Jovem. ............................................................................................................ 98
Tabela 6.6 – Índices Físicos no inicio, após do adensamento e no final do ensaio – Colúvio.
....................................................................................................................................... 98
Tabela 6.7 – Índices Físicos no inicio, após o adensamento e no final do ensaio do solo
Residual Jovem. .......................................................................................................... 101
Tabela 6.8 – Índices Físicos no inicio, após o adensamento e no final do ensaio do Colúvio.
..................................................................................................................................... 102
Tabela 6.9 – Série de Ensaios em função da Tensão Normal líquida aplicada. ................. 116
Tabela 6.10 – Ciclos de Umedecimento e Secagem para o Colúvio e solo Residual. ........ 123
Tabela 6.11 – Índices físicos ao longo do Ciclo I para o Colúvio. ....................................... 124
Tabela 6.12 – Índices físicos ao longo do Ciclo I para o Solo Residual Jovem. ................. 124
Tabela 6.9 – Índices físicos ao longo do Ciclo II para o Colúvio. ........................................ 132
Tabela 6.10 – Índices físicos ao longo do Ciclo II para o Solo Residual Jovem. ................ 132
Tabela 7.1 – Tensão cisalhante, tensão normal e deslocamento horizontal na ruptura para o
solo Residual jovem. .................................................................................................... 140
Tabela 7.2 – Tensão cisalhante, tensão normal e deslocamento horizontal na ruptura para o
Colúvio. ........................................................................................................................ 140
Tabela 7.3 – Tensão cisalhante, tensão normal líquida, sucção mátrica e deslocamento
horizontal na ruptura para o solo Residual Jovem. ...................................................... 142
Tabela 7.4 – Tensão cisalhante, tensão normal líquida, sucção mátrica e deslocamento
horizontal na ruptura para o solo Colúvio. ................................................................... 142
Tabela 7.5 – Equações de ajuste Hiperbólico para o solo Residual Jovem. ...................... 143
Tabela 7.6 – Equações de ajuste Hiperbólico para o Colúvio. ........................................... 143
Tabela 7.7 – Parâmetros de resistência no plano da Tensão normal líquida para o solo
Residual Jovem. .......................................................................................................... 146
Tabela 7.8 – Parâmetros de resistência no plano da Tensão normal líquida para o Colúvio.
..................................................................................................................................... 146
Tabela 7.9 – Resumo das características físicas dos 4 Colúvios considerados. ............... 152
Tabela 7.10 – Resumo das características físicas dos 3 Solos Residuais considerados. . 153
Tabela A.1 – Características dos instrumentos elétricos de medição. ................................ 172
Lista de Símbolos
CDSC = cisalhamento direto com sucção controlada;
DAVE = disco cerâmico de alto valor de entrada de ar;
ABNT = Associação Brasileira de Normas Técnicas;
SUCS = sistema unificado de classificação de solo;
ASTM = American Society for Testing and Materials;
= tensão normal;
r = tensão normal na ruptura;
’ = tensão efetiva;
c’, Ø’ = parâmetros efetivos de resistência do solo saturado;
c = coesão aparente do solo devido ao acréscimo de sucção mátrica;
= tensão cisalhante;
r = tensão cisalhante na ruptura;
= parâmetro que dependente do tipo e da estrutura do solo, do grau de saturação,
da seqüência de umedecimento e secagem, da história, do nível e da trajetória de
tensões;
Øb= parâmetro que quantifica o aumento na resistência devido a um aumento na
sucção matricial;
uw = pressão de água;
ua = pressão de ar;
(σ – ua) = tensão normal líquida;
(σ – ua)r = tensão normal líquida na ruptura;
(ua – uw) = sucção mátrica;
(ua – uw)r = sucção mátrica na ruptura;
# = diâmetro da abertura da malha da peneira;
Gs = densidade relativa dos grãos;
LC = limite de contração;
LL = limite de liquidez;
LP = limite de plasticidade;
IP = índice de plasticidade;
CH = argila de alta plasticidade, de acordo com a classificação do solo da SUCS;
o-ring = anel de borracha de vedação;
top-cap = tampa metálica para distribuição uniforme da carga normal sobre toda a área da
amostra;
α = ângulo de inclinação constante da curva tensão-deslocamento;
δv = deslocamento vertical;
δh = deslocamento horizontal;
δhr = deslocamento horizontal na ruptura;
n = porosidade;
ρs = massa específica dos grãos de solo;
n = peso específico natural;
d = peso específico seco;
w = peso específico da água;
e = índice de vazios;
eo = índice de vazios inicial;
w = teor de umidade gravimétrico;
wreal = teor de umidade gravimétrico calculado a partir de secagem em estufa;
wcalc = teor de umidade gravimétrico calculado utilizando o sistema de medição de
variação volumétrica;
θ = teor de umidade volumétrico;
θs = teor de umidade volumétrico do solo saturado;
θr = teor de umidade volumétrico do solo correspondente a condição de saturação
residual;
S = grau de saturação;
a, b = parâmetros de ajuste da função hiperbólica;
k = parâmetro de ajuste;
ψ = sucηγo;
Θ = teor de umidade volumétrico normalizado;
Tf = tempo de ruptura;
Cv = coeficiente de adensamento relacionado ao ensaio;
U = grau médio de dissipação do excesso de poro-pressão (95%);
η = parâmetro referente a drenagem;
Cw = coeficiente de adensamento do solo não saturado relacionado com a fase
líquida;
Kw = coeficiente de permeabilidade do solo não saturado relacionado com a fase
líquida;
ρw = densidade da água;
g = aceleração da gravidade;
mw = 2 inclinação da curva característica de sucção;
λ = fator de impedância;
Kd = coeficiente de permeabilidade do DAVE;
Ld = espessura do DAVE;
Kr(ψ ) = coeficiente de permeabilidade relativa em função da sucção;
Kw(ψ ) = coeficiente de permeabilidade não saturado em função da sucção;
Ks= coeficiente de permeabilidade saturado;
a, n, m = parâmetros de ajuste segundo a metodologia de Fredlund e Xing (1994).
1 Introdução
O estudo e entendimento dos solos na condição não saturada tem se
tornado nas últimas décadas bastante importante, já que muitos dos movimentos
de massa gravitacionais estão fortemente associados a uma perda de sucção na
resistência ao cisalhamento do solo, decorrente de variações de umidade de
origem natural (variações atmosféricas) ou de origem artificial (atividade
humana).
Nos períodos de chuva, a água infiltra dentro solo tendendo a gerar
excessos de poropressões positivas, reduzindo o valor da sucção ou coesão
aparente e consequentemente de sua resistência. Entretanto, nos períodos de
estiagem, o solo é submetido a processos de secagem que fazem com que as
poropressões da água se tornem negativos e sofram ganhos de resistência,
decorrente de acréscimos da sucção.
Estes ciclos de umedecimento e secagem apresentam variações
volumétricas e de resistência no solo não saturado, decorrentes de mudanças na
sua estrutura.
Dentro deste contexto, o presente trabalho procura determinar as
envoltórias de resistência ao cisalhamento na condição não saturada e avaliar a
influência de ciclos de umedecimento e secagem na resistência dos solos.
Dois tipos de solos da região de Tinguá/RJ foram selecionados para
estudo: um solo residual jovem e um colúvio. Estes solos foram submetidos a um
programa experimental que consistiu da caracterização granulométrica e
mineralógica do material, seguido da obtenção da curva de retenção de água
pelo método do papel filtro. Os ensaios de resistência ao cisalhamento
envolveram ensaios de cisalhamento direto na condição submersa ou inundada
e, para a condição não saturada, utilizou-se o equipamento de cisalhamento
direto com sucção controlada (CDSC) da PUC-Rio, projetado por de Campos
(1988) e implementado por Fonseca (1991) e Delgado (1993). O equipamento
está baseado na técnica de translação de eixos.
Em suma, os objetivos específicos deste trabalho compreendem:
a) Determinar as curvas de retenção do solo Residual e do solo Colúvio
através do método do papel filtro.
24
b) Determinar os parâmetros de resistência ao cisalhamento na
condição submersa e não saturada para ambos os solos a partir da
definição da superfície 3D que representa a envoltória de resistência
ao cisalhamento de um solo não saturado.
c) Comparar as envoltórias obtidas com modelos existentes para
previsão da resistência ao cisalhamento, a partir da curva de retenção
e parâmetros de resistência na condição submersa.
d) Determinar as curvas de resistência ao cisalhamento após ciclos de
umedecimento e secagem; e compará-las com as curvas sem ciclos
de umedecimento e secagem.
O conteúdo desta tese está dividido em 8 capítulos, os quais são
descritos a seguir:
No capitulo 2 se faz uma revisão bibliográfica dos conceitos principais da
Mecânica de Solos Não Saturados, com ênfase em aspectos à resistência ao
cisalhamento não saturada.
O capitulo 3 apresenta uma descrição detalhada dos equipamentos
utilizados e as rotinas desenvolvidas, descrevendo o procedimento e sequência
seguida na execução dos ensaios, principalmente nos ensaios de cisalhamento
direto com sucção controlada.
No capitulo 4 descreve-se a área de estudo do ponto de vista físico e
geológico, além disso se faz uma breve descrição da amostragem.
No capitulo 5 são apresentados os resultados dos ensaios de
caracterização física, química e mineralógica, bem como as curvas de retenção
obtidas através do papel filtro.
O capitulo 6 apresenta os resultados dos ensaios de cisalhamento direto
na condição submersa, na condição não saturada e com ciclos de
umedecimento e secagem.
Já no capitulo 7 se faz uma analise e interpretação dos resultados
apresentados no capitulo anterior. É neste capitulo onde são determinados os
parâmetros e as envoltórias de resistência dos solos não saturados, além disso,
se apresentam as comparações mencionadas anteriormente.
Finalmente, no capitulo 8 as conclusões deste trabalho são
apresentadas, assim como sugestões para trabalhos futuros.
2 Revisão Bibliográfica
Os solos na condição não saturada foram ignorados por muitos anos nas
análises de projetos de engenharia civil e construção, devido a que a mecânica
de solos clássica considerava o solo só nas duas condições extremas, saturado
ou seco.
Ao longo dos últimos 50 anos surgiu a necessidade de uma teoria que
represente o solo em seu estado intermediário, ou seja, na condição não
saturada.
Essa necessidade tem-se tornado muito importante nas ultimas décadas,
uma vez que esses materiais são encontrados em todos os continentes,
particularmente nos países de clima árido e semiárido (mais de 60 % dos países
do mundo) e em regiões de clima tropical como Brasil.
No que se segue apresenta-se uma breve, limitada, revisão da literatura
envolvendo, essencialmente, aspectos de interesse ao presente trabalho.
2.1. Origem dos Solos não saturados
O tamanho e dimensão da zona de solo não saturado perto da superfície
são extremamente sensíveis a mudanças do clima local e regional. O clima é um
fator importante na formação dos solos não saturados, pelo fato de que a água
presente no solo é removida através de evaporação ou de evapotranspiração da
cobertura vegetal (Lu e Likos, 2004). Portanto, a parte do solo próxima à
superfície está constantemente exposta a um processo de dessaturação,
desenvolvendo pressões negativas de água (Fredlund e Rahardjo, 1993).
Alguns solos não saturados originam-se a partir da condição saturada,
como por exemplo, os solos do fundo de um lago, que por processos de
evaporação o nível de água foi diminuindo até a secagem do solo ali depositado.
Consequentemente, o valor da poropressão tem seu valor reduzido e se
torna negativo, em relação à pressão atmosférica sobre o nível de água.
Outro exemplo está relacionado com o crescimento da vegetação, que
produz uma pressão negativa na fase água gerada por evapotranspiração.
26
Além disso, Fredlund (1979) propõe mais um modo de dessaturação
associado ao desenvolvimento de pressões negativas dentro do solo, maiores
que as pressões de confinamento, chamado de fissuração. Com o decorrer do
tempo, o solo é sujeito a mudanças climáticas e ambientais (ciclos de
umedecimento e secagem), que produzem variações nos valores de
poropressão, gerando processos de colapso ou expansão na estrutura do solo.
A figura 2.1 mostra um diagrama esquemático da formação do solo não saturado
dentro do ciclo hidrológico.
Figura 2.1 – Formação do solo não saturado no ciclo hidrológico. Lu and Likos
(2004).
2.2. Fases constituintes dos solos não saturados
Comumente o solo não saturado é considerado como trifásico constituído
por uma fase sólida, líquida e gasosa.
Entretanto, Fredlund e Morgensterm (1977) propõem a interface ar-água
como uma quarta fase constituinte do solo, também chamada de membrana
contráctil, por apresentar propriedades diferentes dos materiais que as rodeiam e
superfícies de fronteira definidas que faz qualifica-la como um material
independente de uma mistura. (Figura 2.2)
Por outro lado, do ponto de vista peso-volume, pode-se considerar o solo
não saturado como um sistema trifásico, uma vez que o volume da membrana
contráctil é pequeno e seu peso é praticamente imperceptível.
27
Neste trabalho, o solo é considerado como um sistema trifásico,
constituído pelo esqueleto sólido, com seus poros preenchidos por água e ar.
Estas fases estão descritas abaixo.
Fase Sólida - Constituída pelas partículas sólidas, que compõem a
estrutura do solo. Estas partículas podem apresentar características diversas tais
como forma, tamanho, textura, composição, mineralogia, etc.
Fase Líquida - Constituída geralmente por água, a qual pode conter sais
dissolvidos que, por sua vez, podem afetar a formação da camada dupla de
argilominerais, influenciando as características de resistência e variação de
volume do solo. De uma forma clássica, a água do solo tem sido classificada em:
água capilar, que permanece no solo por ação das forças capilares e pode se
deslocar pela ação das mesmas; água adsorvida na partícula ou fazendo parte
da camada dupla, a qual não pode ser removida por ações hidrodinâmicas; e a
água gravitacional, a qual o solo pode perder em condições de drenagem livre
pela ação da gravidade. Pode-se considerar do ponto de vista hidrodinâmico,
que a água gravitacional e a capilar formam uma só unidade, denominada de
água livre.
Fase Gasosa – Formada geralmente por ar livre e vapor de água. No que
se refere ao ar, uma característica muito importante é sua compressibilidade. A
não continuidade desta fase no material pode invalidar as técnicas de ensaios
utilizadas (técnica de translação de eixos) para solos não saturados (Carrillo,
1993).
Figura 2.2 – Elemento de solo não saturado com a fase gasosa continua.
(adaptado de Fredlund e Morgenstern, 1977).
28
2.3. Sucção
A sucção do solo também definida como sucção total tem duas
componentes. A primeira chamada de sucção matricial e a segunda sucção
osmótica. A sucção mátrica está relacionada ao arranjo das partículas do solo,
bem como com a capacidade das mesmas de reter água. A sucção osmótica é
decorrente da interação da água com o campo de forças exercido por
substâncias ou sais dissolvidos.
Aitchison (1965) define a sucção total como uma medida de pressão
negativa relativa à pressão de gás externa no solo com água, para o qual uma
quantidade de água deve estar sujeita ao equilíbrio por uma membrana
semipermeável com o solo com água.
Marinho (2000) apresentou uma definição da sucção total através de uma
membrana semipermeável que separa a água pura de um sistema constituído
pelo solo e água intersticial. A membrana é permeável à agua, mas não permite
a passagem dos solutos, logo pode existir uma diferença de concentração
química entre a água livre e a água do solo. A sucção mátrica é a diferença de
pressão através de uma membrana que separa o sistema solo/água intersticial
de uma solução idêntica à da água intersticial, mas sem o solo. Esta membrana
é permeável à solução, portanto não há diferença de concentração química de
um ponto a outro do poro fluido. A sucção osmótica é obtida pela diferença entre
as sucções total e mátrica, como é mostrado na figura 2.3.
A sucção mátrica é definida como a pressão negativa devido aos efeitos da
capilaridade e das forças de absorção. É referente à matriz do solo. A sucção
osmótica está associada à pressão parcial do vapor de água em equilíbrio com a
água livre (Lopes, 2006).
29
Figura 2.3 – Definição de Sucção Total e suas componentes através de uma
membrana semipermeável, Marinho (2000).
2.4. Curva de Retenção do solo não saturado
A curva de retenção define a função que relaciona a quantidade de água
retida nos poros do solo com a energia que se precisa para tirar essa quantidade
de água. Esta quantidade de água é comumente referida à umidade gravimétrica
(w), umidade volumétrica (θw), ou grau de saturação (S).
Na figura 2.4 apresenta-se a curva de retenção para um solo siltoso
mostrando seus principais pontos característicos como, por exemplo: valor de
entrada de ar ψb (valor de sucção na qual a água começa a ser retirada dos
poros do solo), umidade residual θr (umidade associada ao valor de sucção
necessário para retirar água do solo) e a umidade correspondente à saturação
θs.
Figura 2.4 – Curva de Retenção típica para um solo siltoso, segundo Fredlund e
Xing (1994).
30
O valor de entrada de ar (sucção) é determinado através da intersecção da
reta horizontal que passa pela a umidade de saturação com a reta inclinada que
passa pelo ponto de inflexão. A umidade residual é obtida da mesma forma
intersectando a reta anterior inclinada com a reta que aproxima a curva para
valores altos de sucção, como mostrado na figura 2.4.
A curva pode ser obtida seguindo uma trajetória típica de secagem ou
umedecimento das amostras do solo. O processo da secagem consiste em uma
prévia saturação das amostras e posteriormente secagem ao ar, o que origina
uma diminuição da sua umidade e paralelamente um acréscimo da sucção.
No processo de umedecimento é o contrário, já que as amostras partem de
uma condição seca e posteriormente vão se umedecendo promovendo um
aumento da umidade, enquanto a sucção diminui. Quando ambas as curvas são
comparadas mostram um afastamento uma da outra, chamado de Histerese,
sendo que a curva obtida por processo de secagem para um mesmo valor de
sucção apresenta maiores valores de umidade volumétrica.
Segundo Hillel (1971) o comportamento histérico da curva característica é
atribuído à geometria dos poros, ao aprisionamento de ar nos vazios do solo e
ao efeito do ângulo de molhamento em processos de drenagem e de
umedecimento.
2.4.1. Fatores que influenciam a forma da curva de retenção
Vários autores têm pesquisado sobre os fatores que determinam a
posição, inclinação e forma da curva de retenção, entre eles Tinjum et al. (1997),
Vanapalli et al.(1999) e Gerscovich (2001) que demostraram vários fatores, tais
como: tipo de solo (representado pelo tamanho de grãos e composição
mineralógica), arranjo estrutural, teor de umidade inicial, história de tensões,
índice de vazios, histerese, entre outros, Os itens a seguir descrevem os
principais fatores:
31
2.4.1.1.Tipo de solo
Segundo Fredlund e Xing (1994), o teor de umidade aumenta com a
plasticidade do solo como é mostrado na figura 2.5 para três solos típicos (areia,
silte e argila). Valores mais baixos de sucção estão associados às forças
capilares enquanto que os valores mais altos de sucção estão principalmente
relacionados aos mecanismos de absorção que são influenciados pela
composição mineralógica.
Pedregulhos ou areias, solos de granulometria grossa, apresentam largos
poros interconectados e uma rápida variação no grau de saturação com a
sucção (curva mais íngreme). O início do estágio residual da não saturação
nesses solos é bem definido. Os solos com maior teor de finos, como as argilas,
tendem a apresentar uma curva mais suave e, consequentemente, uma maior
capacidade de armazenar água. Já os solos siltosos apresentam um
comportamento intermediário, ficando normalmente entre as duas primeiras
curvas. Na figura 2.5 percebe-se que quanto maior o teor de finos, maior o valor
de entrada de ar e umidade residual.
Figura 2.5 – Influência do tipo de solo na curva de característica, Fredlund e Xing
(1994).
Segundo Futai (2002), os solos tropicais podem apresentar
comportamento diferente ao mencionado anteriormente. Como por exemplo, um
solo laterítico, mesmo sendo mais argiloso que outro solo saprolítico, pode ter
um valor de entrada de ar maior.
32
Figura 2.6 – Curvas de retenção para dois solos tropicais, Futai (2002).
2.4.1.2. Arranjo Estrutural
Lambe (1958) identificou dois tipos de disposição das partículas: estrutura
floculada, onde o contato entre partículas se localiza nas arestas enquanto que
na estrutura dispersa se posiciona paralelamente uma com outra.
No caso dos solos compactados, a compactação no trecho seco gera uma
estrutura floculada enquanto que no trecho úmido, a estrutura é dispersa.
Oliveira (2004) seguindo a mesma metodologia que foi utilizada por
Vanapalli em ensaios anteriores, mostrou a influência da estrutura do solo
compactado na forma da curva de característica, sendo que a curva obtida no
trecho seco da compactação apresentou menor capacidade de retenção de agua
que a curva obtida no trecho úmido.
Figura 2.7 – Curvas de retenção obtidas no trecho seco e trecho úmido da
compactação, Oliveira (2002).
33
2.4.1.3. Histerese
A curva de retenção pode ser determinada seguindo uma trajetória de
umedecimento ou uma de secagem, dependendo da umidade inicial do solo.
Porém estas curvas apresentam formas diferentes estando afastadas uma da
outra, como é mostrado na figura 2.8.
Dineen e Ridley (1999) notaram que na trajetória de secagem a sucção
está associada ao poro maior, devido a que o poro maior encontra-se preenchido
com água, enquanto que no umedecimento a sucção está associada ao poro
menor, já que o interior fica preenchido de ar.
Figura 2.8 – Curvas características obtidas seguindo trajetórias de umedecimento
e secagem, Ng e Pang (2000).
2.4.1.4.História de Tensões
Feuerharmel (2007) mediante ensaios realizados em uma placa de
pressão e com amostras naturais carregadas a diferentes níveis de tensões
líquidas observou que quanto maior é a tensão vertical, maior é o valor de
entrada de ar, mas a taxa de dessaturação é menor como são apresentados na
figura 2.9.
Huang (1994), citado em Barbour (1998), observou em ensaios similares
que a tensão de pré-adensamento influência a curva característica para baixos
valores de sucção e que para sucções maiores, o comportamento das três
curvas torna-se semelhante (para altas sucções, o adensamento não afeta a
estrutura dos poros). Quanto maior a tensão de pré-adensamento, mais elevado
34
é o valor de entrada de ar, pois as amostras submetidas a uma tensão maior
apresentam poros menores e dessaturam mais lentamente.
Figura 2.9 – Curvas características obtidas para diferentes tensões liquidas, Ng e
Pang (2000).
2.4.2. Métodos de obtenção da Curva de Retenção
Atualmente, diferentes instrumentos de medição da sucção do solo e
posterior obtenção da curva de retenção estão disponíveis, tanto para campo
como no laboratório. Estes instrumentos, baseados em diferentes técnicas,
podem ser divididos em duas categorias segundo Kumar et al. (2002).
O método direto baseia-se no principio da medição direta da energia da
poropressão (sucção) e o método indireto é baseado em correlações com outras
propriedades do solo. Os métodos mais utilizados são apresentados tabela 2.1.
Tabela 2.1 – Técnicas utilizadas para a medição da sucção do solo, Fredlund e
Rahardjo,( 1993); Marinho, (1997).
35
Neste capitulo só se descreverá as técnicas utilizadas na obtenção das
curvas características dos solos estudados. Detalhes sobre as outras técnicas
apresentadas na tabela 2.1 podem ser encontradas em Fredlund e Rahardjo
(1993).
2.4.2.1.Papel Filtro
A técnica do papel filtro é uma das técnicas mais usadas, provavelmente
pela sua facilidade de uso em laboratório, além da ampla faixa de medição de
sucções que possui e pelo baixo custo. Esta técnica está baseada no princípio
de que dois materiais porosos com um determinado teor de umidade, postos em
contato, realizam uma troca de água até alcançarem uma condição de equilíbrio.
Nesse ponto de equilíbrio, o valor de teor de umidade é diferente, porém
possuem a mesma sucção. Seguindo este princípio, o papel filtro é posto em
contato com as amostras de solo até chegar ao ponto de equilíbrio, ponto onde a
sucção do solo será a mesma que do papel filtro.
Cabe ressaltar que se o papel filtro é posto em contato direto com a
amostra, tem-se a medição da sucção matricial, mas se o papel filtro não tem
contato com o solo, ou seja, a troca de agua é por vapor, mede-se a sucção
total.
Para obter a sucção osmótica, de acordo com Ridley (1995), o único
método que fornece resultados satisfatórios é o do papel filtro, sendo que sucção
osmótica é dada pela diferença das medições da sucção total e da sucção
mátrica.
Um ponto importante deste método é o tempo que se requer para chegar
ao ponto de equilíbrio e assegurar a completa equalização do sistema papel filtro
– solo: Segundo Marinho (1997) para medições de sucção mátrica o tempo
mínimo de equalização é de 7 dias. No caso de medições de sucção total,
Marinho (1994) na tabela 2.2, define tempos de equilíbrio necessários
dependendo do nível de sucção total que se deseja medir.
Tabela 2.2 – Tempos de equilíbrio necessários para medições de sucção total; Marinho
(1997)
36
A sucção atingida no ponto de equilíbrio é determinada a partir do teor de
umidade do papel filtro mediante uma curva de calibração, a qual pode ser
estimada mediante outros métodos como placa de pressão ou placa de sucção
(técnica de translação de eixos) e dessecadores (controle da umidade relativa).
Na literatura, diversos autores determinaram equações de calibração para
vários tipos de papel filtro, entre os mais utilizados são papel filtro Schleider &
Schuell No. 589 e Whatman No 42; este último foi utilizado no presente trabalho
junto com a equação proposta por Chandler e Gutierrez (1986).
A tabela 2.3 apresentam algumas destas equações propostas para ambos
os papéis mencionados.
Tabela 2.3 – Equações de calibração dos papeis filtro Schleider & Schuell No. 589. e
Whatman No 42, Feuerharmel (2007).
2.4.2.2.Translação de Eixos
Devido a que a pressão de ar é a atmosférica, a máxima sucção que se
poderia medir diretamente seria no máximo 1 atm, pois a água cavita dentro de
sistemas de medição para pressões negativas abaixo deste valor. Hilf (1956)
desenvolveu a técnica de translação de eixos a qual consiste em elevar as
pressões negativas da água contida nos poros do solo a valores positivos,
através da aplicação de pressões de ar, de tal forma que a diferença ua-uw, que é
a sucção do solo a que estaria submetido, fique sempre maior que a pressão
atmosférica (e.g Carrillo, 1993).
37
Cabe ressaltar que esta técnica não só permite a medição da sucção,
como também o controle da mesma, como foi utilizado nos ensaios de
cisalhamento direto com sucção controlada do presente trabalho.
A validade desta técnica já foi verificada em vários trabalhos anteriores
como, por exemplo: Bishop e Blight (1963); Bocking e Fredlund (1980). Porém
foram apresentadas algumas limitações, como:
- Bocking e Fredlund (1980) sugerem que a técnica é valida em solos onde
a fase de ar é interconectada.
- Segundo Zhan (2003) devido a que a técnica elimina em laboratório a
possibilidade de ocorrência da cavitação, impossibilita a análise da mesma no
comportamento do solo em campo.
- Além disso, Feuerharmel (2007) recomenda a incorporação de
equipamentos auxiliares que permitam transportar ou aprisionar bolhas de ar
difuso, que eventualmente poderiam vir do disco DAVE.
2.4.2.3.Controle da sucção por imposição da Umidade Relativa
Esta técnica, baseada nas leis termodinâmicas como a energia livre de
Gibbs, determina a sucção total através da pressão parcial de vapor de água em
equilíbrio com a água do solo. O controle da sucção total se dá por meio da
utilização de soluções salinas saturadas ou em determinadas concentrações.
A relação da pressão relativa da água e a sucção total esta definida
mediante a seguinte equação 2.1:
Onde:
ua ,uw : pressão do ar e da água respectivamente.
R : constante de gases perfeitos (8,3143 Jmol K-1).
T : temperatura absoluta (293 °K)
M : massa molar da água ( 18,016 gmol’1)
g. : aceleração gravitacional (9,81 ms-2)
P/Po : umidade relativa, relação entre a pressão parcial de
vapor (P), e a pressão de vapor de saturação (Po).
38
Conforme mostrado na figura 2.10, esta técnica é aplicada comumente em
recipientes chamados Dessecadores, os quais contém uma solução aquosa
(neste caso foi NaCl pureza 99%). De acordo com a solução e concentração,
uma sucção é imposta dentro do dessecador. As amostras colocadas dentro do
dessecador começam a ter uma troca de água por transferências de vapor entre
a solução e a amostra, até atingir o ponto de equilíbrio e obter a sucção
desejada.
Figura 2.10 – Aplicação de sucção por imposição da umidade relativa através dos
dessecadores, Soto (2004).
Entre as principais desvantagens do método têm-se as seguintes: (a)
susceptível a mudanças de temperatura, o que requer um controle rigoroso; (b)
limitações para sucções abaixo de 1000 kPa; (c) o tempo de equalização pode
chegar a ser muito demorado (Blight, 1966).
Tabela 2.4 – Níveis de sucção total para diferentes concentrações de NaCl, Lu
and Likos (2004).
39
2.4.2.4.Porosimetria por injeção de Mercúrio
Trabalhos anteriores como Romero et al. (1999), Aung et al. (2001), Simms
e Yanful (2002) e Moncada (2008) utilizaram o ensaio de porosimetria de
mercúrio na previsão da curva de retenção.
De acordo com Moncada (2008), o ensaio de porosimetria é baseado nas
leis da capilaridade que governam a intrusão do fluido. No caso da água, é
governado pela equação de Laplace, no caso do mercúrio, pela equação de
Washburn. Ambas as equações consideram os poros como cilindros e
expressam o diâmetro como uma função da pressão aplicada, do ângulo de
contato e da tensão superficial do fluido.
O procedimento se assemelha a uma curva de secagem, devido a que o
mercúrio, por ser um fluido não molhante, entra no solo (seco, ou seja, saturado
de ar) e começa a expulsar o ar como se fosse a água na secagem.
Considerando a água como fluido molhante, é possível relacionar a sucção
com os diâmetros dos poros na equação 2.2 a partir da equação de Laplace:
Onde:
Θw : ângulo de contato (180°)
Tw : Tensão superficial (72,75 x 10-3 N/m)
D : Diâmetro dos poros
ua - uw : sucção do solo
No caso do mercúrio onde é considerado como fluido não molhante, pode-
se relacionar a pressão de injeção com os diâmetros de poros a partir de
equação de Washburn:
Onde:
Θnw : ângulo de contato (130°)
Tnw : Tensão superficial (485 x 10-3 N/m)
D : Diâmetro dos poros.
P : pressão da injeção do mercúrio no solo.
Igualando as duas equações anteriores, tem-se:
40
A partir desta equação é possível calcular a sucção equivalente a cada
pressão de mercúrio aplicada. O grau de saturação equivalente é calculado
como:
Sr = 1 – Srnw
Srnw = n/no
Onde:
n : Porosidade com mercúrio
no : Porosidade total
Sr : Grau de Saturação relativo
No presente trabalho comparou-se a previsão de retenção baseada na
injeção de mercúrio com a curva de retenção obtida experimentalmente com
papel filtro visando a aplicabilidade da técnica.
2.5. Equação de Resistência ao Cisalhamento de solos não saturados
Bishop (1959), na procura de um novo princípio de tensões efetivas que
englobasse os solos não saturados reformulou o princípio proposto por Terzaghi
para solos saturados, levando em consideração o aporte que representava a
sucção, o qual é definido por um parâmetro multiplicado pela sucção, como é
mostrado na equação 2.4.
Onde:
σ-ua : Tensão Normal líquida.
ua-uw : sucção mátrica.
: parâmetro de Bishop.
41
Bishop et al. (1960) a partir de seu princípio de tensões efetivas para solos
não saturados, estendeu o critério de ruptura de Mohr-Coulomb conseguindo
definir uma das primeiras equações de resistência para solos não saturados,
(equação 2.5).
Onde:
σ-ua : Tensão Normal líquida.
uw-ua : sucção mátrica.
: parâmetro de Bishop.
Ø´ : ângulo de atrito.
com o parâmetro variando de 0, para solos secos, até 1, para solos
completamente saturados.
O uso deste parâmetro de Bishop apresentou inconvenientes devido a que
experimentalmente não representava adequadamente o comportamento da
deformação volumétrica do solo não saturado.
Segundo Matyas e Radhakrishna (1968), o comportamento do solo não
saturado deveria ser avaliado através das variáveis de estado independentes.
Fredlund et al. (1973) propuseram a resistência ao cisalhamento dos solos
não saturados utilizando combinações com as variáveis de estado.
A primeira, utilizando as variáveis (-uw) e (ua-uw), apresentou o
inconveniente de que para uma mudança da poropressão mudavam as duas
variáveis deixando de ser uma independente da outra.
A segunda combinação foi utilizando as variáveis (-ua) e (ua-uw),
apresentando mais vantagens como a mudança só de uma variável quando
muda a poropressão, e quando a sucção é anulada torna-se na equação de
Terzaghi de tensões efetivas.
Baseado nisto, Fredlund et al. (1978) desenvolveram uma equação para a
determinação da resistência ao cisalhamento de solos não saturados, tendo em
vista o conceito de variáveis de tensão. Esta nova proposta tirou as dificuldades
de determinação experimental do parâmetro , ver equação 2.6.
42
Onde:
Øb : ângulo que indica a razão de acréscimo de resistência com
relação ao aumento da sucção mátrica
Plotando-se num gráfico tridimensional a tensão cisalhante versus as duas
variáveis de tensão, ou seja, vs. (σ-ua) e vs. (ua-uw), a superfície resultante
poderia ser planar ou não planar dependendo do tipo de solo, do intervalo de
sucção e da trajetória de tensões a que o solo tenha sido submetido (e.g,
Abramento e Carvalho, 1989).
Figura 2.11 – Possíveis envoltórias de ruptura para um solo não saturado,
adaptado de Fredlund (2002).
Inicialmente a envoltória idealizada por Fredlund et al. (1978) assume uma
superfície de ruptura planar, porém autores como Escário e Sáez (1986, 1987),
Fredlund e Rajhardo (1993), Abramento (1988), Carrillo (1993), Soares (2005) e
Lopes (2006), obtiveram que o aumento da resistência com o aumento da
sucção não é necessariamente constante (não linear), diferentemente da
resistência com relação a tensão normal líquida a qual apresenta um
comportamento mais linear, como é mostrado na figura 2.12.
43
Figura 2.12 – Resultados obtidos a partir de ensaios de cisalhamento direto com
sucção controlada plotados nos planos vs. (σ-ua) e vs. (ua-uw), Escário e Sáez (1986).
Fredlund et al. (1987) explicaram a variação no ângulo Øb considerando o
volume do poro no qual a pressão na água age. Para baixas sucções, o solo
permanece saturado e todo o poro é preenchido por água. Neste caso, os efeitos
da pressão na água e da tensão normal total na resistência são caraterizados
pelo mesmo ângulo de atrito Ø’ e, portanto, um aumento na sucção matricial
produz o mesmo aumento na resistência ao cisalhamento do que um aumento
na tensão normal líquida. Com o aumento da sucção matricial, a água é drenada
do solo e quando o valor de entrada de ar é atingido, o ar começa retirar a água
nos poros. Nesta fase, um acréscimo adicional na sucção matricial demostra não
ser tão efetivo quanto um aumento na tensão normal líquida em aumentar a
resistência ao cisalhamento do solo, indicando uma redução no ângulo Øb para
um valor menor que Ø’ (ver figura 2.13).
44
Figura 2.13 – Não linearidade da envoltória de resistência no plano vs. (ua-uw)
Fredlund et al. (1987).
Além disso, Vanapalli et al. (1996); Fredlund e Vanapalli (2002) definiram
uma relação entre a taxa com que a resistência ao cisalhamento varia e a área
do menisco de água em contato com as partículas do solo. Este fato é refletido
na curva característica como se mostra na figura 2.14, onde se mostra a
variação da resistência ao cisalhamento ao longo da trajetória de secagem na
curva de retenção.
45
Figura 2.14 – Relação entre curva característica e envoltória de resistência ao
cisalhamento, Fredlund ( 2002)
Da figura 2.15, nota-se que a resistência ao cisalhamento aumenta
linearmente com a sucção até atingir o valor de entrada de ar do solo. Após esse
valor, começa a diminuir o acréscimo tornando-se a curva não linear.
Portanto, segundo esta proposta, a não linearidade também dependerá do
valor de entrada de ar do solo, que por sua vez depende do tipo de solo.
Figura 2.15 – Envoltória de resistência no plano vs. (ua-uw) para diferentes
solos, Rassam e Cook (2002).
46
2.6. Principais equações para representar a curva de retenção
Os valores experimentais da curva de retenção podem ser ajustados
através de diversas equações. A tabela 2.5 apresenta as equações mais
utilizadas na literatura.
Tabela 2.5 – Principais equações de ajuste da Curva de Retenção. Adaptado de
Oliveira (2004).
Autores Ano Equação Parâmetros
Brooks e Corey 1964
Ψb: Valor da entrada e ar.
Ψ: sucção Matricial.
λ: Parâmetro obtido
graficamente.
Van Genunchtem 1980
Ψ: sucção Matricial.
α,m e n: Parâmetro de ajuste.
Fredlung e Xing 1994
Ψ: sucção Matricial.
a,m e n: Parâmetro de ajuste.
θs:Umidade volumétrica de
saturação.
No presente trabalho utilizou-se a equação de ajuste de Fredlund e Xing (1994)
para o ajuste da curva de retenção e previsão da permeabilidade não saturada,
ambas necessárias para a determinação da velocidade de cisalhamento na
condição não saturada.
A equação proposta por Fredlund e Xing (1994) é afetada por um fator de
correção C(ψ), o qual pode ser determinado pela equação 2.7.
Além disso, os valores dos parâmetros de ajuste podem ser obtidos através das
equações 2.8 á 2.12.
47
Os valores de ψi,θi, θs, ψr e ψp são obtidas graficamente como indicado na figura
2.16.
Figura 2.16 – Determinação gráfica dos parâmetros necessários para calcular os valores
de a, n e m. Fredlund e Xing (1994).
48
2.7. Modelos de Previsão da Resistencia de um solo não saturado
Muitos procedimentos têm sido propostos nos últimos 20 anos para
estimar a resistência ao cisalhamento do solo não saturado.
Esses procedimentos usam a curva característica como ferramenta direta
ou indireta junto com os parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo
saturado, c’ e Ø’, para estimar a função da resistência do solo não saturado.
Entre os mais relevantes tem-se: Lytton (1996), Oberg & Sallfors (1997), Khallili
and Khabbaz(1998), Vanapalli and Fredlund (1996), Vanapalli et al. (1996). A
seguir apresentam-se quatro das principais formulações utilizadas na avaliação
da resistência do solo não saturado.
Lytton (1996) utilizou a equação proposta por Bishop (1959), onde
substituiu o parâmetro pelo teor de umidade volumétrico (θ) para a obtenção
da resistência ao cisalhamento do solo na condição não saturada(equação 7.6).
Oberg & Sallfors (1997), de maneira similar, propuseram uma equação,
(equação 7.7) substituindo naquela equação o parâmetro pelo grau de
saturação, na tentativa de estimar a resistência ao cisalhamento de solos não
argilosos como as areias ou siltes.
Khallili and Khabbaz (1998), reexaminaram a equação de Bishop e
forneceram uma relação entre o parâmetro e uma razão de sucção definida
como a sucção dividida pelo valor de entrada de ar .
O parâmetro exponencial de ajuste é considerado -0,55, o qual está
baseado em dados experimentais de 13 solos.
A equação 7.8 apresenta a previsão definida por estes autores.
49
Onde:
= , razão de sucção.
Vanapalli and Fredlund (1996), propuseram uma função não linear para
estimar a resistência do solo não saturado usando completamente a curva
característica na faixa de 0 até 1,000,000 kPa e o parâmetro de ajuste k como é
mostrada na equação 7.9.
Onde:
k=parâmetro de ajuste
Θ=teor de umidade volumétrico normalizado Θ=θ/θs.
Vanapalli and Fredlund (2000), propuseram uma relação entre o parâmetro
de ajuste k, e o índice de plasticidade obtida através de uma série de dados
experimentais de diversos autores. A relação é apresentada na figura 7.18.
Figura 2.17 – Relação entre o parâmetro de ajuste (k) e o índice de plasticidade
(IP) (Vanapalli & Fredlund, 2000).
Por último, Vanapalli et al. (1996) propõem a equação 7.9 com o fim de
poder determinar a resistência dos solos não saturados sem usar o parâmetro de
ajuste k, só levando em conta parâmetros de umidade volumétrica da curva
característica:
50
Onde:
θs=teor de umidade volumétrico do solo saturado.
θr=teor de umidade volumétrico residual.
2.8. Estudos dos efeitos dos ciclos de umedecimento e secagem na resistência ao cisalhamento do solo.
Utomo (1980) encontrou que devido aos processos de umedecimento e
secagem, o solo está submetido constamente a tensões que fazem com que o
solo dilate e contraia. Além disso, influencia a formação de agregados novos que
incialmente poderiam se encontrar desagregados. A sua vez, verificou que nos
grãos maiores as trincas ocorrem mais facilmente que nos grãos menores em
consequência na queda na resistência e mais significativa nos grãos maiores
que nos grãos menores.
Com o objetivo de dar resposta à diferença que se tinha entre a resistência
obtida no campo e no laboratório, Rogers e Wrigth (1986) estudaram argilas
altamente plásticas mediante ensaios de cisalhamento direto e triaxiais visando
avaliar a influencia do umedecimento e secagem no campo.
Os resultados mostraram uma diminuição da resistência ao cisalhamento
refletida principalmente pela diminuição do intercepto coesivo. Além disso, foi
notado que não tem muita influência o numero de ciclos a que foram expostas as
amostras, já que a maior mudança observou-se no primeiro ciclo.
Rajaram e Erbaoh (1999) concluíram que um ciclo de umedecimento e
secagem é suficiente para alterar as propriedades mecânicas numa argila,
mudando a coesão, ângulo de atrito e tamanho dos agregados, com a
estabilidade mecânica do agregado diminuindo em decorrência das tensões da
secagem.
Cafaro e Coteccha (2001), avaliando material argiloso do sul da Itália por
meio de microscopia eletrônica, sugerem a secagem como sendo o principal
processo de desgaste, possivelmente associado à oxidação das argilas.
51
A secagem pode ser também responsável pela união entre partículas de
argilas, formando grãos mais grossos (grumos).
Os resultados dos ensaios evidenciaram que os ciclos de umedecimento e
secagem geraram uma contração progressiva nas argilas, modificando sua
estrutura.
Analises dos processos do intemperismo reproduzido por ciclos de
umedecimento e secagem realizados por Gulla e Mandaglio (2006) levaram até
as seguintes conclusões:
Os efeitos dos ciclos de umedecimento e secagem geram mudanças na
estrutura natural e a união dos agregados.
Resultados obtidos em ensaios edométricos mostraram que a estrutura se
torna instável e a união é mais fraca. Nos ensaios de resistência, os picos
obtidos diminuíram e, por sua vez, as curvas tensão deslocamento mostraram
um comportamento de um material mais frágil.
Tse e Ng (2008) estudaram amostras remoldadas de solo residual da
cidade de Hong Kong. Essas amostras foram cisalhadas com CDSC, tentando
avaliar a influencia da histerese da resistência ao cisalhamento decorrente da
histerese da curva características do solo.
Os resultados obtidos mostraram que a resistência na trajetória de
secagem é maior que a obtida na trajetória de umedecimento.
Guan e Rahardjo (2010), baseados em ensaios triaxiais com amostras de
areia e caulim verificaram o encontrado por Tse e Ng. Além disso, observaram
que a areia-caulim sob a trajetória de secagem se comporta como normalmente
adensada, enquanto que sob a trajetória de umedecimento se comporta como
pré-adensada.
3 Equipamento, Rotinas de Ensaio e Programa de Ensaios.
3.1. Equipamento
3.1.1. Ensaio de Cisalhamento Direto Convencional
Os ensaios de cisalhamento direto na condição submersa ou inundada
foram desenvolvidos no equipamento de cisalhamento direto; o qual é composto
de uma prensa convencional da marca Wykeham Farrance Int. (tipo deformação
controlada).
O sistema de medição está conformado por um anel de carga que mede a
carga horizontal, transdutor de deslocamento vertical e horizontal. A carga
vertical é imposta e medida através de pesos colocados em um pendural com
alavanca. A figura 3.1 apresenta o equipamento de cisalhamento direto utilizado
para a obtenção dos parâmetros de resistência ao cisalhamento das amostras
submersas.
Figura 3.1 – Equipamento de Cisalhamento Direto Convencional da PUC-Rio.
53
3.1.2. Ensaio de Cisalhamento Direto Com Sucção Controlada
O programa principal de ensaios nas amostras submetidas a diferentes
níveis de sucção foi desenvolvido com o equipamento de cisalhamento direto
com sucção controlada da PUC-Rio, sendo abreviado por CDSC. O equipamento
foi projetado por de Campos (1988), desenvolvido por Fonseca (1991) e
modificado por Carrillo (1993). Equipamentos similares a este encontrados na
literatura foram citados por Fonseca (1991). Ver tabela 3.1.
Tabela 3.1 – Principais Características dos Equipamentos CDSC, adaptado de
Fonseca (1991).
Características do
Equipamento
Escario
(1980)
Gan e
Fredlund
(1988)
Escario (1986)
PUC-Rio
Fonseca
(1991)
Tamanho da amostra (mm) (50 x 50 x22) (50 x 50 x22) (50 x 50 x22) (100x100x21, 8)
Elemento Drenante *
DAVE
ou MSP (at
1500 kPa)
DAVE (até 500
kPa)
DAVE ou MSP
(até 1500 kPa)
DAVE (até 300
kPa)
Fluido Usado na Câmara de
Compressão Nitrogênio Ar comprimido Nitrogênio Ar comprimido
Uso da Técnica de
Translação de Eixos Sim Sim Sim Sim
Medida de Volume de água Não Sim Não Sim
Parte de Caixa que desloca Superior Inferior Superior Inferior
Forma de Transmissão da
Carga Vertical Pistão Pistão
Câmara de
nitrogênio Célula de carga
Medida dos Deslocamentos
Vertical e Horizontal Mecânica Eléctrica Mecânica Eléctrica
Uso de Prensa Convencional Não Sim Sim Sim
Caixa de Cisalhamento
Constitui Anel Moldador Não Não Não Sim
Manutenção da Separação
das Duas Caixas Durante o
Cisalhamento
Não Não Não Sim
Dave-disco Cerâmico de Alto Valor de entrada de Ar
MSP - Membrana Semi- Permeável
54
O equipamento é uma modificação do equipamento de cisalhamento direto
convencional e está composto por: uma câmara de pressão de ar, caixa de
cisalhamento bipartida no interior dela, disco de alto valor de entrada de ar,
sistema de aplicação de pressões, sistema de extração de bolhas de ar, sistema
de aplicação de carregamento vertical e sistema de medição e aquisição de
dados. Ver figura 3.2.
Figura 3.2 – Equipamento de Cisalhamento Direto com sucção controlada da
PUC-Rio.
A seguir se descreve mais detalhadamente os componentes do
equipamento:
3.1.2.1.Câmara de pressão de Ar
A câmara de pressão de ar é uma câmara de forma cilíndrica feita de aço
de 210 mm de altura, 250 mm de diâmetro e uma espessura de 15 mm; a base e
a tampa são feitos com duralumínio. A câmara foi construída para poder suportar
pressões de até 1000 kPa.
A tampa da câmara está fixada ao corpo através de 8 parafusos, os quais
permitem a vedação total da câmara. Além disso, a tampa possui um orifício por
onde atravessa a célula de carga que se encarga de medir e transmitir a carga
vertical. Este orifício é vedado através de um anel de borracha (o ring).
No interior da câmara localiza-se a célula de carga horizontal, encargada
de medir a força cisalhante ao longo do cisalhamento da amostra, a caixa de
cisalhamento bipartida, onde é introduzida a amostra, o disco espaçador
55
encargado de separar as partes superior e inferior da caixa cisalhamento,
evitando todo atrito ao longo do cisalhamento, e a haste encostada sobre a face
esquerda da caixa de cisalhamento que faz a união com o motor que fornece a
carga horizontal.
No exterior da câmara se encontra o transdutor de pressão de ar
encargado de medir a pressão do ar no interior da câmara e que envolve a
amostra, o transdutor de deslocamento vertical, que está encostado na célula de
carga vertical, o transdutor de deslocamento horizontal que está conectado à
caixa de cisalhamento através de uma haste que atravessa a câmara por um
furo. Na figura 3.3 apresenta-se uma secção transversal da caixa de
cisalhamento.
Figura 3.3 – Câmara de Pressão de Ar.
3.1.2.2.Caixa de Cisalhamento
A caixa de cisalhamento possui nas partes superior e inferior um rasgo
concêntrico de secção quadrada de 100 mm de lado. Além disso, esta está feita
de duralumínio e tem forma circular que se encontra unida pela base a um
reservatório de água fechado por um disco cerâmico de alto valor de entrada de
ar (DAVE) que foi colado pelas bordas.
56
O DAVE é um disco cerâmico poroso que possui a propriedade de permitir
a passagem da água, mas não do ar, tem uma espessura de 7,3 mm, 146 mm
de diâmetro e valor de pressão de borbulhamento de 300 kPa ( limite máximo de
aplicação de sucção). Na figura 3.4 mostra-se uma foto da caixa de
cisalhamento.
Figura 3.4 – Caixa de cisalhamento Bipartida.
3.1.2.3.Sistema de aplicação de pressões
As pressões de ar e de água são aplicadas através das válvulas
localizadas no painel de ar comprimido. No caso da pressão de ar é aplicada
diretamente abrindo a válvula correspondente à linha que vai até a câmara. No
entanto, a pressão de água é enviada através de um recipiente que serve de
interface de ar – água. O painel possui duas válvulas, um manômetro tipo relógio
com resolução de 7 kPa. Cabe ressaltar que as pressões aplicadas são
finalmente ajustadas com os valores medidos nos transdutores de ar e água. Ver
figura 3.5.
57
Figura 3.5 – Câmara de Ar comprimido com válvulas para pressão de água e ar.
3.1.2.4.Sistema de aplicação de carregamento vertical
Do mesmo modo que se faz a aplicação do carregamento vertical no
equipamento de cisalhamento direto convencional, faz-se aqui, utilizando pesos
colocados em um pendural com alavanca. O pendural transmite a carga
diretamente à célula de carga vertical, que por sua vez aplica a carga ao “top-
cap” que está acima da amostra. Com o objetivo de eliminar variações na carga
vertical produto da movimentação da caixa durante o cisalhamento, Delgado
(1993), colocou uma união tipo universal na ponta da célula, conseguindo reduzir
estas variações.
Além disso, foram colocadas duas hastes paralelas à célula de carga com
o objetivo de fixá-la, ficando sempre em contato com a amostra e evitando um
deslocamento para cima decorrente da diferença de pressão de ar na célula de
carga. Ver figura 3.6.
58
Figura 3.6 – Sistema de aplicação de carga vertical composto por um pendural e
braço de alavanca.
3.1.2.5.Sistema de extração de bolhas de ar
O sistema de extração de bolhas de ar, implementado por Carrillo (1993),
tem por objetivo tirar as bolhas de ar difuso através do disco (DAVE) e poder
corrigir o volume que entrou ou saiu da amostra.
Este sistema consiste em gerar um fluxo contínuo de água no trecho copo
coletor - reservatório localizado abaixo do DAVE. O ar contido na água passa
pelo copo e fica retido, retornando ao reservatório só água pura. Ver figura 3.7.
59
Figura 3.7 – Sistema de extração de bolhas de ar.
3.1.2.6.Sistema de Aquisição de dados
Este sistema esteve conformado para realizar a aquisição de dados dos
transdutores de pressão de ar e água, dos transdutores de deslocamento
horizontal e vertical, das células de carga vertical e horizontal, e do medidor de
variação de volume. As calibrações destes instrumentos estão apresentadas no
anexo A do presente trabalho. Ver figura 3.8.
60
Figura 3.8 – Sistema de Aquisição de Dados.
3.1.3. Imposição de sucção com Dessecadores
O equipamento utilizado para a imposição da sucção através da umidade
relativa foram os dessecadores contendo uma solução de NaCl de 99% de
pureza, diluída em água deionizada. Ver figura 3.9.
Figura 3.9 – Imposição da sucção através dos dessecadores.
61
3.1.4. Determinação da curva Característica
No caso na determinação da sucção através da técnica de papel filtro
utilizou-se papel filtro tipo Whatman N°42 cortado no mesmo diâmetro das
amostras (anéis), (ver figura 3.10).
A curva de calibração utilizada para correlacionar a umidade com a sucção
medida foi a proposta por Chandler et al. (1992) ver equação 3.1 e 3.2. Para a
pesagem dos papéis filtro utilizou-se uma balança digital de 4 casas decimais.
Umidade >47%:
Umidade <47%:
Figura 3.10 – Papel filtro tipo Whatman N°42 utilizado na determinação da
curva de retenção.
62
3.2. Rotinas de Ensaio
3.2.1. Ensaio de Cisalhamento Direto Convencional
A execução do ensaio foi desenvolvida de acordo com a norma ASTM
(3080), nas condições submersa e drenada.
A velocidade de cisalhamento adotada foi de 0.182mm/min, calculada a
partir da curva de adensamento, como foi proposto por Bishop e Henkel (1962).
As amostras foram cisalhadas até um deslocamento máximo de 15 mm.
3.2.2. Ensaio de Cisalhamento Direto Com Sucção Controlada
A primeira etapa, antes de começar com o desenvolvimento dos ensaios,
foi a realização da calibração dos instrumentos de medição que foram utilizados
para a aquisição de dados. Além disso, foi necessária a calibração do braço de
alavanca para a aplicação da carga vertical.
Continuou-se com a saturação das linhas de pressão de água por
percolação, retirando todas as bolhas de ar oclusas no sistema, seguidamente
saturou-se o disco de alto valor de entrada de ar (DAVE).
Cabe ressaltar que este processo foi efetuado antes do inicio de cada
ensaio.
Para a saturação do DAVE, cobriu-se o disco primeiramente com uma
camada de água, logo após, foi imposta uma pressão de ar dentro da câmara
fechada que gera um gradiente por diferença de cargas. A água atravessa a
pedra porosa ocupando os vazios dela e expulsando o ar ocluso. Da mesma
forma, o reservatório que fica em baixo do DAVE é cheio totalmente com água,
assegurando uma fase contínua dentro da câmara.
Com ajuda do medidor de variação de volume, foi registrado o fluxo
através do DAVE, onde se considerou a finalização da saturação uma vez que o
gráfico de volume de água que sai do sistema versus o tempo ficasse constante
(uma reta). No anexo é apresentada toda a informação relacionada com o
processo de saturação do DAVE.
Após de ter as linhas saturadas e o DAVE saturado, verificou-se a eventual
existência de pontos de vazamento. Conforme (Delgado 1993), foi aplicada uma
pressão de água superior ao admissível entre trechos isolados.
63
Numa eventual existência de vazamento o medidor de variação de volume
registraria uma variação no volume de água. Na figura 3.11, apresentam-se os
trechos que foram isolados para a avalição de vazamentos.
Pressãode ar
Reservatóriode àgua
Pressãode ar
Amostra
1
2
3
4
5 6
7
8
9
10
Figura 3.11 – Trechos de avaliação para detecção de vazamentos, Adaptado de
Delgado (1993).
Os corpos de prova foram obtidos com moldes tipo anel biselado
quadrado, com lados medindo 100 mm e altura. 21,6 mm, a partir de blocos de
indeformados.
Em alguns corpos de prova, a equalização de sucção iniciou-se fora da
câmara de compressão, em um dessecador com uma solução salina. Para se
Tre
cho
Vál
vula
s
aber
tas
Vál
vula
s
Fec
had
as
1 - 2 - 2
1 - 3 2 3
1 - 4 2, 3 4, 5
1 - 5 2, 3 4, 5
1 - 6 2, 3, 5 4, 6
1 - 7 2, 3, 4 5, 6, 7
1 - 8 2, 3, 4, 7 5, 6, 8, 9, 10
1 - 9 2, 3, 4, 7, 8 5, 6, 9, 10
64
atingir determinado nível de sucção desejado, o tempo de equalização foi de 10
dias dentro do dessecador.
Na etapa da montagem do ensaio, primeiramente foi colocada a caixa de
cisalhamento acima do DAVE, com prévia retirada da camada de água.
Recomenda-se retirar tal camada com papel toalha com o fim de diminuir o
tempo de equalização, como foi verificado por Soares (2005). Assim, antes de
transferir a amostra para a caixa de cisalhamento, retirou-se a parte superior da
caixa e ajustaram-se os LSCDTs e o medidor de variação volumétrica,
colocando-os em suas marcas zero. Como foi mencionado anteriormente, antes
de cada ensaio foi necessário verificar a existência de bolhas de ar no sistema
de aplicação de pressão, eliminando-as quando fora necessário.
Após a colocação da caixa de cisalhamento, um papel filtro úmido era
colocado dentro dela, sobre o DAVE. Seguidamente era introduzida a amostra.
Sobre a amostra, foi colocado um papel filtro e a pedra porosa grossa, que é
responsável pela distribuição uniforme da pressão de ar. Ressalta-se que tanto o
papel filtro quanto a pedra porosa acima do corpo de prova estavam secos. Em
seguida colocou-se o “cap” metálico superior.
Foram retirados os parafusos que unem as duas metades da caixa de
cisalhamento. Com o auxílio de um disco espaçador e dois extensômetros,
levantou-se a parte superior da caixa de 0,5 mm. Daí retirou-se os
extensômetros e fechou-se a câmara de compressão, atentando-se em encaixar
a união universal da célula de carga vertical corretamente sobre o top-cap.
Os níveis de água da interface ar/água e do copo de coleta eram
verificados, ajustando-os às suas respectivas marcas zero, sendo que a pressão
de água a ser usada no ensaio estava sendo aplicada, deixando a amostra
isolada, fechando as válvulas que dão acesso à base do equipamento. Isto feito,
a pressão de ar na câmara de compressão era aplicada e as válvulas para a
aplicação da pressão de água eram abertas, gerando a sucção desejada.
A partir daqui se iniciou a fase de equalização. Esta era atingida no ponto
onde a variação de volume registrada permanecera constante, ou seja, a água
da amostra não saia nem entrava na amostra. Após atingida a equalização,
colocou-se os pesos, iniciando nesta etapa o adensamento da amostra. O
adensamento era considerado finalizado uma vez que o medidor de variação de
volume não registrasse mais variação.
Antes de iniciar a fase de cisalhamento, utilizava-se a bomba de extração
de ar a fim de se retirar as possíveis bolhas de ar existentes, e quantificava-se o
volume extraído. Vale destacar que tal volume sempre foi desprezível (da ordem
65
de 0,1cm³). Logo em seguida, a amostra foi cisalhada com velocidade constante
e igual a 0,00975 mm/min em ambos os solos, a velocidade escolhida foi menor
que as calculadas conforme procedimento proposto por Ho e Fredlund (1982).
Esta velocidade foi necessária para poder conseguir um ensaio drenado. Os
cálculos da velocidade estão apresentados no apêndice B. Os ensaios de
cisalhamento chegaram até um deslocamento horizontal de 10 mm. Atingido o
deslocamento, retirava-se a carga vertical, a pressão de água e a pressão de ar,
obedecendo à ordem inversa de aplicação. Ao final do ensaio, determinava-se a
umidade final do corpo de prova.
3.2.3. Imposição de sucção com Dessecadores
Os corpos de prova os quais foram sujeitos a uma imposição de sucção
pela técnica da umidade relativa foram colocados nos dessecadores junto com
uma solução de água destilada e NaCl numa proporção (peso de soluto por
volume de solvente). Para se atingir determinada pressão de vapor no interior do
dessecador equivalente ao nível de sucção, depois de colocado o corpo de
prova aplicou-se vácuo dentro do dessecador. O Cloreto de Sódio usado nas
soluções é denominado, por seu fabricante, NaCl P.A com 99,9% de pureza. O
vapor formado tende a entrar em equilíbrio com o solo e induz a sucção
desejada. Com a equação 3.1 (Marinho, 1994) foi possível determinar a
concentração de soluto. Na Tabela 3.1 encontram-se as sucções e
concentrações de soluto usadas neste trabalho.
(3.1)
Onde m é a molaridade do soluto, isto é, a proporção entre sal e água pura
usada em uma solução, em mol/L.
Tabela 3.2 – Concentrações de soluto para as sucções desejadas.
Sucção (kPa) Molaridade (mol/g) Concentração (g/L) 60 0.0131 0.77
120 0.0263 1.54
200 0.0437 2.55
Peso molar de NaCl = 58,44 g/mol
Os corpos de prova foram utilizados nos ensaios após atingir a sucção
desejada, ou seja, cumprir o tempo de equalização que foi no mínimo de 10 dias.
66
3.2.4. Determinação das curvas de Retenção
Foram confeccionados 10 corpos de prova com anéis circulares para cada
curva de retenção de ambos os solos, obtendo-se o respectivo teor de umidade
de campo. Após a moldagem, cada anel era embalado com filme de PVC e
papel alumínio, para evitar qualquer perda de umidade.
Após a determinação da umidade inicial de cada corpo de prova, era
estimada a quantidade de água a ser adicionada ou retirada de cada corpo de
prova, levando-se em consideração uma faixa de teor de umidade entre o valor
residual e o de saturação. Dessa forma, se teria pontos suficientes para a
determinação da curva característica. Com o objetivo de representar a histerese
do material seguiu-se trajetórias de umedecimento e secagem, a partir de um
ponto seco e saturado, respectivamente.
Para obter a curva de umedecimento adicionou-se água pesando
continuamente até conseguir o peso desejado. Quando se fez necessário
diminuir a umidade do solo, o mesmo foi realizado deixando o corpo de prova
secando ao ar. Após isso, os anéis foram embrulhados com filme de PVC e
papel alumínio, para logo ser colocados em uma caixa de isopor fechada por 48
horas para que a umidade se distribuísse uniformemente por todo solo dentro do
anel. Passado esse tempo, foram colocados os papéis-filtro em contato com o
solo no topo e na base de cada anel, para iniciar o processo de equalização e
medir a sucção do anel.
Novamente, os anéis eram embalados com filme de PVC e papel alumínio
e colocados na caixa de isopor, permanecendo ali por 10 dias, para que
ocorresse a equalização das sucções nos diversos anéis.
O passo seguinte era a pesagem dos papéis-filtro úmidos. Esta foi feita
durante 3 min, em intervalos de 10 s, nos 2 primeiros minutos, e 15 s no minuto
final em uma balança de resolução de 0,0001 g. Finalmente os papéis foram
levados à estufa para a secagem com temperatura entre 100 e 110º C por no
mínimo 2 horas (Marinho 1997). Os corpos de prova secos também foram
pesados. Com esses dados determinou-se a umidade dos papéis filtro, a sucção
correspondente e o teor de umidade do solo, posteriormente plotou-se os pontos
obtidos num gráfico umidade versus sucção.
67
3.3. Programa de Ensaios
Para cada solo investigado, o programa principal de ensaios foi composto
por 3 ensaios de cisalhamento direto convencionais, 9 ensaios de cisalhamento
direto com sucção controlada e 6 ensaios de cisalhamento direto com ciclos de
umedecimento e secagem. Os níveis de sucção utilizados em todos os ensaios
com sucção controlada foram de 60 kPa, 120 kPa e 200 kPa. As tensões
normais líquidas foram de 40 kPa, 80 kPa e 120 kPa. Os ciclos de
umedecimento e secagem foram executados na forma mostrada na tabela 3.3.
Cabe mencionar que a justificativa para escolha das tensões normais foi
pelo fato que a pesquisa envolve escorregamentos em camadas superficiais do
solo. Enquanto que os níveis de sucção adotados foram escolhidos com o fim de
ter pontos suficientes e separados para poder definir a envoltória além de ter
como limite máximo o valor de entrada de ar do DAVE (300 kPa).
Tabela 3.3 – Séries de ensaios de cisalhamento direto convencional, com sucção
controlada e com ciclos de umedecimento e secagem, respectivamente.
Série Ensaio Tensão Normal
(kPa)
I (CD
CONVENCIONAL)
CD 1 40
CD 2 80
CD 3 120
Série Ensaio Tensão Normal Líquida (kPa)
Sucção Mátrica (kPa)
I (CDSC)
CDSC 1 40 60
CDSC 2 40 120
CDSC 3 40 200
II (CDSC)
CDSC 4 80 60
CDSC 5 80 120
CDSC 6 80 200
III (CDSC)
CDSC 7 120 60
CDSC 8 120 120
CDSC 9 120 200
68
Ciclo Ensaio Trajetória dos Ciclos de
Umedecimento e Secagem
I
(CDSC)
I.1 s=60→s=0→s=60
I.2 s=60→s=0→s=120
I.3 s=60→s=0→s=200
II
(CDSC)
II.1 s=60→s=0→s=60→s=0
II.2 s=60→s=0→s=120→s=0
II.3 s=60→s=0→s=200→s=0
4 Área de Estudo e Amostragem
4.1. Área de Estudo
Escolheu-se dos tipos de solo para o desenvolvimento desta pesquisa. O
primeiro consiste em um solo residual Jovem, enquanto que o segundo é um
solo Colúvionar. As amostras destes solos foram obtidas de dois pontos
localizados em Tinguá, município de Nova Iguaçu – Rio de Janeiro. A escolha da
área de estudo e a amostragem foram parte de estudos de avalição do projeto
Tinguá, em desenvolvimento no Núcleo de Geotécnia Ambiental da PUC-Rio.
4.1.1. Meio Físico
A Reserva Biológica do Tinguá, localizada na porção centro sul do Estado
do Rio de Janeiro, é uma Unidade de Conservação (UC) de proteção integral
altamente restritiva em termos de uso e se constitui num relevante fragmento da
Floresta Atlântica.
Esta reserva ocupa uma área de 26.260 (ha) com 150 km de perímetro, e
abrange quatro municípios: Nova Iguaçu; Duque de Caxias; Petrópolis; e Miguel
Pereira. A maior porção, bem como a sede da Unidade localiza-se em Nova
Iguaçu. A figura 4.1 mostra a localização da área de estudo.
70
Figura 4.1 – Localização da Área de Estudo
4.1.2. Geologia
Amaral (2012) identificou quatro unidades litológicas que abrangem a
região do Maciço de Tinguá, as quais são: o Biotita Gnaisse (Migmatito) e o
Granito Foliado (Granito Gnaisse), ambos da Unidade Rio Negro; o
Leucognaisse, do Batólito Serra dos Órgãos, e as alcalinas. A figura 4.1 mostra a
localização física dos dois pontos de amostragem dentro da unidade geológica
Batólito Serra dos órgãos, a qual é descrita a seguir.
Figura 4.2 – Localização dos dois pontos de amostragem dentro do plano
geológico.
71
4.1.2.1.Leucognaisse – Unidade Batólito Serra dos Órgãos
O Leucognaisse mostrado nas Figuras 4.2 e 4.3 ocorrem na porção norte e
sul da área mapeada, com os principais afloramentos na Estrada de Jacuíba,
Serra e Macacu, sempre sob a forma de porções de um corpo descontínuo
distribuído na direção nordeste e noroeste. Com grãos finos a médios, e
composto por quartzo e feldspato e pouca biotita, possui arranjo equigranular.
Nas boas exposições a foliação é nítida, assim como as zonas de cisalhamento
com foliação subvertical, nos quais se destacam os minerais pretos opacos
(provavelmente óxido de manganês) e o material de preenchimento esverdeado
nas microfissuras. Quando alterados apresentam coloração amarelada,
resultado da alteração dos feldspatos. Aflora, geralmente, no alto das serras,
lajedo em drenagens, encosta de morros e blocos rolados.
Figura 4.3 - Talude escavado de
leucognaisse, a foliação é caracterizada
por bandamento composicional.
Figura 4.4 - Feldspato róseo e
micas centimétricas característico
localmente.
4.1.3. Aspectos Climáticos
O clima da região de Tinguá, segundo Köppen, é do tipo Cwb,
correspondente ao Clima Tropical de Altitude, possuindo verões amenos e
chuvas típicas da estação, ou seja, de grande intensidade, porém com baixa
duração, sendo que nos pontos mais altos a estação seca é pouco pronunciada.
Uma classificação da umidade e temperatura média da região foi proposta pelo
INPE em parceria com a Fundação S.O.S. Mata Atlântica e pode ser vista na
figura 4.4, onde é nítida a maior participação territorial dos municípios de Nova
Iguaçú e Duque de Caxias na formação da Reserva Biológica do Tinguá.
72
Á temperatura média anual de toda a região varia de 13ºC a 23ºC e a
pluviosidade média varia de 1500 mm a 2600 mm, com distribuição heterogênea
entre as estações, sendo o verão e a primavera as estações mais chuvosas em
detrimento do inverno e outono, que por sua vez, possuem as menores medias
de precipitação.
Figura 4.5 - Classificação da Reserva Biológica do Tinguá quanto à temperatura e
umidade médias (Fonte: Plano de Manejo da Reserva Biológica do Tinguá).
4.2. Amostragem
A amostragem consistiu em retirada de blocos de aproximadamente
30x30x30 cm coletados do pé do talude em ambos os casos.
As amostras coletadas do campus avançado da PUC-Rio foram definidas
de acordo com os ensaios de caracterização como Colúvio, enquanto que as
amostras coletadas de Tinguá foram denominadas como Solo Residual Jovem.
Os taludes correspondentes aos locais de amostragem podem ser
observados nas figuras 4.6 e 4.7.
73
Figura 4.6 – Talude de retirada da amostra do solo Colúvio (Campus Avançado da
PUC-Rio).
Figura 4.7 – Talude de retirada da amostra do solo Residual Jovem ( Reserva
Biológica de Tinguá).
5 Caracterizações Física, Química e Mineralógica.
Neste capitulo são apresentados os ensaios realizados nas amostras dos
solos descritos no capitulo anterior, necessários para sua caracterização física,
mineralógica e química.
5.1. Características Físicas
5.1.1. Índices Físicos
Para a caracterização física dos solos estudados foram feitos ensaios de
granulometria, através do peneiramento e sedimentação, densidade relativa dos
grãos (Gs), limites de liquidez e plasticidade. Os índices físicos obtidos de
amostras de solo indeformado estão apresentados na tabela 5.1.
Tabela 5.1 – Índices físicos das amostras indeformadas.
Amostra Valor Gs n (g/cm3) d(g/cm3) wreal(%) e S(%)
Residual Jovem
Máx. - 1.63 1.28 27.85 1.30 0.66
Min. - 1.48 1.20 22.01 1.15 0.48
Méd. 2.76 1.55 1.25 23.74 1.20 0.55
Coluvio
Máx. - 1.66 1.35 23.38 1.19 0.62
Min. - 1.49 1.21 22.21 0.97 0.50
Méd. 2.66 1.59 1.30 22.83 1.06 0.58
5.1.2. Análise Granulométrica
Os ensaios de granulometria foram realizados seguindo a norma da ABNT,
NBR7181. A tabela 5.2 apresenta as porcentagens de cada fracção de material
para ambos os solos. Além disso, a figura 5.1 mostra a curva granulométrica
obtida por peneiramento e sedimentação.
75
Na fase de sedimentação, utilizou-se dois defloculantes distintos:
hexametafosfato de sódio (H) e água (A).
Tabela 5.2 – Resumo da granulometria de cada solo analisado.
Distribuição granulométrica (%)
Solo Areia Finos
Grossa Média Fina Total Silte Argila Total
Residual
Jovem -H 4,6 31,5 27,4 63,5 29,8 6,6 36,4
Residual
Jovem-A 4,6 30,5 29,4 64,5 31,0 4,5 35,5
Colúvio -H 24,6 14,2 7,7 46,5 10,1 40,5 50,6
Colúvio-A 24,6 27,3 29 80,9 16,0 0,1 16,1
Figura 5.1 – Curvas granulométricas do solo Colúvio realizado com hexamefosfato
de sódio e água como defloculante respectivamente.
76
Figura 5.2 – Curvas granulométricas do solo Residual Jovem realizado com
hexamefosfato de sódio e água como defloculante respectivamente.
5.1.3. Limites de Consistência
A determinação dos limites de consistência foi realizada segundo as
normas NBR6459 e NBR7180 da ABNT. A tabela 5.3 apresenta os valores dos
limites de liquidez, plasticidade e índice de plasticidade. Além disso, foi calculado
com a expressão de Skempton 5.1 o índice de atividade das argilas:
Atividade = IP (5.1) %<2μm
A fração argila com índice de atividade menor que 0,75 é considerada
inativa, entre 1,25 e 0,75. a atividade é normal, maior que 1,25, ativa.
O solo residual jovem deste estudo não apresentou limites de consistência,
tanto para a fração passante na peneira 40, como para a fração passante na
200.
Tabela 5.3 – Limites de consistência e atividade da fracção argila.
Solo LL (%) LP(%) IP(%) Ia Coluvio 64,5 35,9 28,6 0,71
Residual Jovem --- --- --- ---
77
Segundo os índices apresentados o Colúvio apresenta uma baixa atividade
na fração argila.
5.1.4. Classificação do Solo
Através da caracterização física, o Colúvio é classificado, segundo o
sistema SUCS, como uma argila de alta plasticidade (CH); enquanto que o solo
residual jovem é classificado como areia com finos (SC).
5.1.5. Porosidade
A porosidade e a distribuição dos tamanhos dos poros foram determinadas
mediante a porosimetria de mercúrio.
O ensaio de porosimetria de mercúrio fornece o tamanho e a distribuição
dos poros. O volume de mercúrio que penetra nos poros é definido diretamente
como uma função da pressão aplicada, com auxílio da equação de Wahburn que
supõe os poros de forma cilíndrica. A diferença de volume em cada ciclo é
chamada de volume de poros livre.
Conforme a classificação proposta por IUPAC (Internacional Union Pure
and Applied Chemistry), ver tabela 5.4, foi possível, através da curva de
distribuição de poros, obter as parcelas de microporos, mesoporos e
macroporos.
Tabela 5.4 – Classificação IUPAC (Diâmetro de Poros).
Classificação Microporos
(μm) Mesoporos
(μm) Macroporos
(μm)
IUPAC Ø < 0,2 0,2 < Ø < 0,5 Ø > 0,5
No primeiro caso, o solo Residual apresenta uma concentração de poros
dentro da faixa de macroporos mostrando uma leve homogeneidade, porém no
caso do Colúvio, apresenta um comportamento bimodal, ou seja, concentração
78
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000 1000.000
Dis
trib
uiç
ão in
crem
enta
l do
s d
iâm
etro
s d
os
po
ros
(cm
³/g
)
Diâmetro dos poros (m)
Residual jovem
Coluvio
Mic
ropo
ros
Mac
ropo
ros
Mes
orop
oros
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000 1000.000
Vo
lum
e in
jeta
do
acu
mu
lad
o (
cm³/
g)
Diâmetro dos poros (m)
Residual Jovem
Coluvio
de poros na faixa de microporos e macroporos, isto se verá refletido na curva
característica.
Os resultados obtidos tanto para o solo Residual Jovem como para o
Colúvio são apresentados na figura 5.3 e figura 5.4.
Figura 5.3 – Curvas de Distribuição de poros
respeito ao tamanho dos poros.
Figura 5.4 – Curvas de Distribuição Acumulado de poros ao tamanho dos poros.
79
5.2. Características Químicas
5.2.1. Análise Química Total
As amostras de solo foram submetidas a análise química total com o
objetivo de avaliar os principais elementos que compõem a matriz do solo. A
Tabela 5.5 apresenta o resumo dos elementos encontrados em cada solo.
Tabela 5.5 – Análise Química Total
Componentes Residual
Jovem Colúvio
Al2O3 32,88 40,92
SiO2 40,19 33,41
P2O5 0,37 0,15
K2O 0,47 0,28
TiO2 1,19 1,01
MnO 0,15 -
Fe2O3 10,67 6,72
MgO 0,72 -
ZrO2 0,021 0,01
Perda ao fogo 6,39 12,75
Traços S, Ca Ca, Cr, Mn
Segundo Antunes (2013), os teores de alumina (Al2O3) e sílica (SiO2),
indicam um avançado estado de laterização em ambos os solos, produto da
lixiviação destes componentes.
80
5.3. Características Mineralógicas
5.3.1. Análise Térmica Diferencial (ATD)
A técnica da análise térmica esta baseado no suposto que a água que
preenche os capilares na argila apresenta um pico endotérmico. A Gibsita perde
água de constituição acerca de 350°C, o que é representado por um pico
endotérmico no termograma, da mesma forma acontece na caulinita para uma
temperatura aproximada de 600 °C.
Portanto, como é mostrado nas figuras 5.5 e 5.6, os picos observados
correspondem a uma fração argilosa constituída por Caulinita no caso do solo
Residual jovem enquanto que para o Coluvio está constituído basicamente por
Gibsita e Caulinita.
Figura 5.5 – Termograma do solo Residual Jovem.
Caulinita
81
Figura 5.6 – Termograma do solo Coluvio.
5.3.2. Difração de Raios-X
Através da difração de Raios-X, foi realizada a análise para se determinar
os minerais constituintes dos solos em estudo. Foram analisadas as frações
correspondentes ao material retido nas peneiras #200 e #400.
Nos difratogramas que apresentam picos estreitos, simétricos e bem
definidos são caracterizados os minerais com estrutura cristalina bem definida,
podendo indicar ainda uma maior porcentagem deste mineral na amostra.
Os resultados obtidos acusam a presença de caulinita, gibsita e quartzo
em todos os materiais, sendo que a caulinita se apresenta com picos bem
definidos no solo Residual Jovem. Para a fração retida na peneira #400 deste
material, o quartzo se apresenta com um pico bem definido com a mesma
intensidade da caulinita.
A Gibsita se apresenta com uma melhor definição no Colúvio, indicando
um maior grau de intemperismo deste material. Observaram-se também
pequenos picos de quartzo não muito bem definidos no Colúvio.
As figuras 5.7, 5.8, 5.9 e 5.10 apresentam os difratogramas com os
respectivos minerais identificados no solo Residual e Colúvio, respectivamente.
Caulinita
Gibsita
82
Figura 5.7 – Difratograma do material retido na peneira #200 do solo Residual
Jovem.
Figura 5.8 – Difratograma do material retido na peneira #400 do solo Residual
jovem.
83
Figura 5.9 – Difratograma do material retido na peneira #200 do Colúvio.
Figura 5.10 – Difratograma do material retido na peneira #400 do Colúvio.
84
5.3.3. Microscopia Digital de Varredura
As análises de microscopia eletrônica de varredura foram realizadas no
Laboratório de Microscopia do Departamento de Ciências dos Materiais e
Metalurgia da PUC-Rio (DCMM).
Através desta técnica, conseguiu-se uma descrição da morfologia dos
argilominerais, a distribuição dos poros e uma identificação dos componentes
químicos do solo, além de uma possível presença de cimentação no solo, como
se apresentam nas figuras 5.11 e 5.12.
Figura 5.11 – Distribuição de poros (macroporos) na estrutura do solo Residual
Jovem.
Macroporos
85
Figura 5.12 – Presença de material cimentante (óxido de ferro) envolvendo os
grãos de quartzo e feldspato na estrutura do solo Residual Jovem.
As análises fotográficas no solo Residual Jovem mostram uma distribuição
de poros quase homogênea, assim como também material cimentante
envolvendo os grãos de quartzo e feldspato fazendo uma união pelas arestas
tipo ponte entre os grãos.
Figura 5.13 – Distribuição de poros na estrutura do solo Residual Jovem.
Macroporos
Material
cimentante
Macroporos
86
Figura 5.14 –Visualização dos macroporos e microporos na estrutura do Colúvio.
No caso do solo Colúvio, as análises mostram uma distribuição de poros
mais diferenciada, dando origem a uma distribuição bimodal, o que se viu
refletida no ensaio de porosimetria de mercúrio.
5.4. Curva de Retenção
As curvas de retenção dos materiais estudados foram determinadas
através do método do papel filtro. O procedimento utilizado na determinação da
sucção mátrica do solo para diferentes umidades está descrito no Capítulo 3.
Utilizaram-se também dados obtidos a partir dos resultados de porosimetria.
Finalmente para a conformação das curvas características, os dados
experimentais obtidos com o papel filtro foram ajustados com o modelo de
Fredlund e Xing (1994), o qual foi descrito no capítulo 2.
Para representar a histerese da curva de retenção, foi necessário
determinar uma curva seguindo uma trajetória de secagem e outra seguindo
uma trajetória de umedecimento. Apresentam-se estas curvas nas figuras 5.15 e
5.16 para o solo Colúvio, e 5.17 e 5.18 para o solo Residual Jovem.
Microporos
Micro-agregados
87
Figura 5.15 – Curva de retenção seguindo uma trajetória de umedecimento – solo
Colúvio.
Figura 5.16 – Curva de retenção seguindo uma trajetória de secagem – solo
Colúvio.
88
Figura 5.17 – Curva de retenção – solo Residual Jovem.
A partir dos resultados dos ensaios de porosimetria de mercúrio foi
possível determinar a curva de retenção, conforme descrito no capitulo 2. As
curvas obtidas foram comparadas com aquelas obtidas experimentalmente pelo
método do papel filtro, as quais são apresentadas nas figuras 5.19 à 5.23.
Figura 5.18 – Curva de retenção em função da umidade Gravimétrica – Colúvio.
89
Figura 5.19 – Curva de retenção em função da umidade Volumétrica – Colúvio.
Figura 5.20 – Curva de retenção em função do grau de saturação – Colúvio.
90
Figura 5.21 – Curva de retenção em função da umidade Gravimétrica – Solo
Residual Jovem.
Figura 5.22 – Curva de retenção em função da umidade Volumétrica – Solo
Residual Jovem.
Figura 5.23 – Curva de retenção em função do Grau de Saturação – Solo Residual
Jovem.
6 Ensaios de Resistencia
Prévio, ao inicio da execução dos ensaios de resistência, foi necessário a
determinação das velocidades ao qual seriam cisalhadas as amostras avaliadas,
tanto para a condição saturada como para a condição não saturada.
A utilização de uma adequada velocidade de cisalhamento assegurará o
comportamento drenado das amostras ao longo dos ensaios.
A continuação nos seguintes itens apresentam-se os procedimentos e
cálculos feitos para a determinação de estas velocidades e consequentemente o
inicio da execução dos ensaios de resistência.
6.1. Velocidade de cisalhamento
6.1.1. Tempo de Rotura para Ensaios saturados.
Dado que o ensaio de cisalhamento direto é drenado, é necessário cisalhar
o corpo de prova com uma velocidade adequada e suficientemente pequena
para garantir a dissipação de qualquer excesso de poropressão.
Gibson e Henkel (1954) formularam um método teórico para determinação
aproximada do tempo de ruptura para ensaios drenados em amostras saturadas
e submersas (equação 6.1).
Onde:
Tf: Tempo de ruptura;
Hd: Altura de drenagem do corpo de prova;
Cv: Coeficiente de adensamento;
U: Grau meio de dissipação de poropressão (95%).
92
Tabela 6.1 – Velocidades de Cisalhamento para a condição Saturada do solo
Coluvio.
Ensaio t90
(min) tf
(min) V estimada(mm/min)
CD01 0.417 5.292 0.944
CD02 0.15 1.905 2.625
CD03 0.15 1.905 2.624
Tabela 6.2 – Velocidades de Cisalhamento para a condição Saturada do solo
Residual Jovem.
Ensaio t90
(min) tf
(min) V estimada (mm/min)
CD01 0.816 10.372 0.482
CD02 0.240 3.056 1.636
CD03 0.15 1.905 2.624
As velocidades calculadas para ambos os solos foram maiores que a
mínima considerada para este tipo de ensaios, por tanto adoptou-se a
velocidade de 0.127 mm/min com um tempo de ruptura de 2 horas e o
deslocamento de 15 mm.
6.1.2. Tempo de Rotura para Ensaios não saturados.
Ho e Fredlund (1982) propuseram uma metodologia para o calculo do
tempo de ruptura para ensaios de cisalhamento em condições não saturadas.
Onde:
Tf: Tempo de ruptura;
Hd: Altura de drenagem do corpo de prova;
Cv: Coeficiente de adensamento;
U: Grau meio de dissipação de poropressão (95%).
ɳ: 0,75/(1+3/λ) para drenagem simples;
: , coeficiente de adensamento do solo não saturado.
Kw: coeficiente de permeabilidade do solo não saturado relacionado
com a fase líquida.
93
ρw: densidade da água (1 g/cm3)
g: aceleração da gravidade (9.81 m/s2)
mw: inclinação da curva características (θ vs. sucção mátrica).
λ: , fator de impedância;
Kd: coeficiente de permeabilidade do DAVE;
d: comprimento de drenagem (d=2H);
Ld: espessura do DAVE;
H: metade da espessura da amostra;
U: grau médio de dissipação do excesso de poropressão.
Entre os cálculos prévios á determinação do tempo de ruptura foi
necessário estimar a permeabilidade não saturada, para isso foi utilizado o
procedimento proposto por fredlund e Xing (1994), onde a partir dos parâmetros
de ajuste da curva característica é determinada a função permeabilidade não
saturada.
Para o calculo da permeabilidade não saturada Fredlund e Xing (1994)
propuseram as seguintes equações. (6.3, 6.4, 6.5, 6.6).
Onde:
Kr (ψ): Coeficiente de permeabilidade relativa em função da sucção.
Kw (ψ): Coeficiente de permeabilidade não saturada em função da
sucção.
Ks: Coeficiente de permeabilidade saturado.
Sendo:
a=ln(ψaev), limite inferior de integração.
b=ln (1000000), limite superior de integração.
94
O intervalo (a,b) é dividido em N subintervalos de mesmo tamanho onde ∆y
é comprimento desse subintervalo, logo:
a=y1< y2<.... yN< yN+1=b
yi=ponto médio do intervalo (yi, yi+1)
(6.5)
(6.6)
Figura 6.1 – Coeficiente de Permeabilidade relativa versus sucção mátrica para o
solo Residual Jovem.
95
Figura 6.2 – Previsão da função permeabilidade não saturada para o solo Residual
Jovem.
Figura 6.3 – Coeficiente de Permeabilidade relativa versus sucção mátrica para o
Colúvio.
96
Figura 6.4 – Previsão da função permeabilidade não saturada para o solo o
Colúvio.
Tabela 6.3 Apresenta as velocidades calculadas para os ensaios de cisalhamento direto
com sucção controlada para o solo Residual Jovem.
(ua-uw) (kPa)
Ld (m)
d (m)
Kw (m/s)
Kd (m/s)
m2w
(kPa-1) λ
60 0.0073 0.0213 5.38E-08 7.80E-11 9.04E-05 4.23E-03
120 0.0073 0.0213 1.54E-08 7.80E-11 9.04E-05 1.48E-02
200 0.0073 0.0213 2.82E-09 7.80E-11 9.04E-05 8.08E-02
(ua-uw) (kPa)
η Cvw(m2/s) tf(s) tf(min)
Velocidade para δh=5
mm (mm/min)
Velocidade para δh=10
mm (mm/min)
60 1.06E-03 6.06E-05 35403.70 590.06 0.008 0.01695
120 3.69E-03 1.73E-05 35528.42 592.14 0.008 0.01689
200 1.97E-02 3.18E-06 36306.24 605.10 0.008 0.01653
97
Tabela 6.4 Apresenta as velocidades calculadas para os ensaios de cisalhamento direto
com sucção controlada para o Colúvio.
(ua-uw) (kpa)
Ld (m)
d (m)
Kw (m/s)
Kd (m/s)
m2w
(kPa-1) λ
60 0.0073 0.0213 3.33E-09 7.80E-11 1.37E-04 6.83E-02
120 0.0073 0.0213 3.33E-09 7.80E-11 1.37E-04 6.83E-02
200 0.0073 0.0213 3.33E-09 7.80E-11 1.37E-04 6.83E-02
(ua-uw) (kpa)
η Cvw(m2/s) tf(s) tf(min)
Velocidade para δh=5
mm (mm/min)
Velocidade para δh=10
mm (mm/min)
60 1.67E-02 2.48E-06 54729.2 912.15 0.0055 0.01096
120 1.67E-02 2.48E-06 54729.2 912.15 0.0055 0.01096
200 1.67E-02 2.48E-06 54729.2 912.15 0.0055 0.01096
A velocidade de cisalhamento adotada para um deslocamento de 10 mm,
para ambos os solos, foi de 0.00975 mm/min.
6.2. Ensaios de Cisalhamento direto na condição submersa
Depois de calculadas as velocidades de cisalhamento para ambas
condições foram executados os ensaios de cisalhamento. No presente item são
apresentados os resultados obtidos a partir de uma série de 3 ensaios de
cisalhamento direto convencional na condição submersa.
As tabelas 6.5 e 6.6 detalham os índices físicos obtidos e calculados das
amostras no inicio, após o adensamento e no final do ensaio.
98
Tabela 6.5 – Índices Físicos no inicio, após o adensamento e no final do ensaio –
solo Residual Jovem.
Tabela 6.6 – Índices Físicos no inicio, após do adensamento e no final do ensaio –
Colúvio.
Série Ensaio Tensão Normal (kPa)
Índices físicos iniciais Após o
adensamento Final
n( g/cm3) d(g/cm3) wreal(%) e s(%) e ∆e/(1+eo) w(%)
I
CD 1 40,00 1,64 1,28 27,84 1,07 0,69 1,00 0,04 39,82
CD 2 80,00 1,61 1,26 27,85 1,11 0,67 1,00 0,05 43,69
CD 3 120,00 1,60 1,22 31,27 1,18 0,70 0,96 0,10 40,19
As figuras 6.5 e 6.6 apresentam as curvas tensão vs. deslocamento
horizontal e deslocamento vertical vs. deslocamento horizontal, do solo Residual
Jovem e do Coluvio respectivamente. Notou-se, nas curvas obtidas um
enrijecimento dos dois solos ao longo da fase de cisalhamento, eles não
apresentam picos de resistência; além disso, ambos os solos se comprimiram
durante o ensaio.
Série Ensaio Tensão Normal (kPa)
Índices físicos iniciais Após o
adensamento Final
n (g/cm3) d(g/cm3) wreal(%) e s(%) e ∆e/(1+eo) w(%)
I
CD 1 40,00 1,60 1,24 28,48 1,22 0,65 1,17 0,02 48,70
CD 2 80,00 1,61 1,26 27,85 1,19 0,65 1,08 0,05 43,69
CD 3 120,00 1,59 1,21 31,27 1,27 0,68 1,10 0,08 44,45
99
Figura 6.5 – Ensaio de cisalhamento Direto – curva tensão – deslocamento, do
solo Residual jovem.
100
Figura 6.6 – Ensaio de cisalhamento Direto – curva tensão – deslocamento, do
Colúvio.
6.3. Ensaios de Cisalhamento direto na condição não saturada
Apresentam-se os resultados dos ensaios de cisalhamento direto
realizados no equipamento de cisalhamento direto com sucção controlada da
PUC-Rio. Foram executados 9 ensaios divididos em 3 séries em função das
tensões normais e sucção mátrica aplicadas, para os dois solos estudados. As
tabelas 6.7 e 6.8 mostram os índices físicos dos corpos de prova no inicio, após
o adensamento e no final do cisalhamento.
101
Tabela 6.7 – Índices Físicos no inicio, após o adensamento e no final do ensaio do solo Residual Jovem.
Final
n (g/cm3) d(g/cm3) wcampo(%) e s(%) e ∆e/(1+eo) w(%)
CDSC 1 40.00 60.00 1.48 1.20 23.32 1.30 0.50 1.18 0.053 27.55
CDSC 2 40.00 120.00 1.54 1.25 23.32 1.21 0.53 1.03 0.080 24.15
CDSC 3 40.00 200.00 1.52 1.23 23.32 1.24 0.52 1.09 0.068 22.09
CDSC 4 80.00 60.00 1.48 1.21 22.01 1.28 0.48 1.14 0.062 28.55
CDSC 5 80.00 120.00 1.54 1.26 22.01 1.19 0.51 0.98 0.097 24.99
CDSC 6 80.00 200.00 1.56 1.28 22.01 1.16 0.52 1.00 0.075 21.09
CDSC 7 120.00 60.00 1.57 1.28 22.01 1.15 0.53 0.99 0.073 28.29
CDSC 8 120.00 120.00 1.63 1.28 27.85 1.16 0.66 0.95 0.099 25.92
CDSC 9 120.00 200.00 1.63 1.28 27.85 1.16 0.66 0.96 0.094 22.78
I
II
III
Sucção Matrica
(kpa)
Tensão Normal Liquida (kpa)
EnsaioSerie Após o adensamentoIndices físicos iniciais
102
Tabela 6.8 – Índices Físicos no inicio, após o adensamento e no final do ensaio do Colúvio.
final
n (g/cm3) d(g/cm3) wcampo(%) e s(%) e ∆e/(1+eo) w(%)
CDSC 1 40 60 1.60 1.30 23.31 1.05 0.59 0.87 0.086 28.03
CDSC 2 40 120 1.54 1.25 22.98 1.12 0.54 0.97 0.070 26.00
CDSC 3 40 200 1.64 1.33 23.38 1.01 0.62 0.83 0.087 24.86
CDSC 4 80 60 1.54 1.25 22.75 1.12 0.54 1.03 0.045 26.54
CDSC 5 80 120 1.49 1.21 22.61 1.19 0.50 1.08 0.051 25.79
CDSC 6 80 200 1.64 1.34 22.21 0.98 0.60 0.91 0.038 24.60
CDSC 7 120 60 1.59 1.30 22.30 1.05 0.57 0.92 0.063 26.78
CDSC 8 120 120 1.63 1.32 23.38 1.01 0.62 0.83 0.091 27.62
CDSC 9 120 200 1.66 1.35 22.51 0.97 0.62 0.78 0.093 26.48
I
II
III
Indices físicos iniciasSucção Matrica
(kpa)
Tensão Normal Liquida (kpa)
EnsaioSerieApós o adensamento
103
6.3.1. Ensaios com Tensão Normal Líquida Constante
Neste item apresentam-se primeiramente as curvas de deslocamento
vertical e variação volumétrica de água que sai ou entra no C.P em função do
tempo de ensaio das 3 series antes mencionadas correspondentes à fase de
equalização e adensamento respectivamente. Notou-se que para os dois solos o
tempo necessário para a equalização foi maior que para o adensamento.
Seguidamente se mostra as curvas tensão cisalhante, deslocamento
vertical e variação de volume de água que sai ou entra na amostra em função do
deslocamento horizontal. Nestas curvas observou-se que quanto maior a
sucção, maior é a resistência ao cisalhamento. Este mesmo comportamento de
enrijecimento do material com relação aos acréscimos de sucção foi refletido nas
curvas de variação de volume, observando-se que quanto maior é a sucção
aplicada, menor é a contração do solo.
6.3.1.1. Série I
A série 1 é composta de 3 ensaios, os quais foram executados mantendo
uma tensão normal líquida (σn – ua) de 40 kPa, enquanto que a sucção mátrica
(ua – uw) foi variada para os valores de 60, 120 e 200 kPa.
A figura 6.7 apresenta as curvas correspondentes às fases de equalização
e adensamento para o solo Residual Jovem.
A figura 6.8 mostra as curvas correspondentes à fase de cisalhamento
para o solo Residual Jovem.
A figura 6.9 apresenta as curvas correspondentes às fases de equalização
e adensamento, para o Colúvio.
A figura 6.10 mostra as curvas correspondentes à fase de cisalhamento
para o Colúvio.
104
Figura 6.7 – Curvas de deslocamento vertical e variação volumétrica de água que
sai ou entra no C.P em função do tempo de ensaio da série I – solo Residual Jovem.
105
Figura 6.8 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série I – solo
Residual Jovem.
106
Figura 6.9 – Curvas de deslocamento vertical e variação volumétrica de água que
sai ou entra no C.P em função do tempo de ensaio da série I – Colúvio.
107
Figura 6.10 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série I –
Colúvio.
108
6.3.1.2. Série II
A série 2 é composta de 3 ensaios, os quais foram executados mantendo
uma tensão normal líquida (σn – ua) de 80 kPa, enquanto que a sucção mátrica
(ua – uw) foi variada para os valores de 60, 120 e 200 kPa.
A figura 6.11 apresenta as curvas correspondentes às fases de
equalização e adensamento, para o solo Residual Jovem.
A figura 6.12 mostra a curva correspondente à fase de cisalhamento para o
solo Residual Jovem.
A figura 6.13 apresenta as curvas correspondentes às fases de
equalização e adensamento, para o solo Colúvio.
A figura 6.14 mostra a curva correspondente à fase de cisalhamento para o
Colúvio.
Figura 6.11 – Curvas de deslocamento vertical e variação volumétrica de água que
sai ou entra no C.P em função do tempo de ensaio da série II – solo Residual Jovem.
109
Figura 6.12 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série II –
solo Residual Jovem.
110
Figura 6.13 – Curvas de deslocamento vertical e variação volumétrica de água que
sai ou entra no C.P em função do tempo de ensaio da série II – Colúvio.
111
Figura 6.14 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série II –
Colúvio.
112
6.3.1.3. Série III
A série 3 é composta de 3 ensaios, os quais foram executados mantendo
uma tensão normal líquida (σn – ua) de 120 kPa, enquanto que a sucção mátrica
(ua – uw) foi variada para os valores de 60, 120 e 200 kPa.
A figura 6.15 apresenta as curvas correspondentes às fases de
equalização e adensamento, para o solo residual jovem.
A figura 6.16 mostra as curvas correspondentes à fase de cisalhamento
para o solo Residual Jovem.
A figura 6.17 apresenta as curvas correspondentes às fases de
equalização e adensamento, para o Colúvio.
A figura 6.18 mostra as curvas correspondentes à fase de cisalhamento
para o Colúvio.
Figura 6.15 – Curvas de deslocamento vertical e variação volumétrica de água que
sai ou entra no C.P em função do tempo de ensaio da série III – solo Residual Jovem.
113
Figura 6.16 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série III –
solo Residual Jovem.
114
Figura 6.17 – Curvas de deslocamento vertical e variação volumétrica de água que
sai ou entra no C.P em função do tempo de ensaio da série III – Colúvio.
115
Figura 6.18 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série III –
Colúvio.
116
6.3.2. Ensaios de Cisalhamento em Função da Tensão Normal Liquida
Com o objetivo de observar o comportamento da resistência ao
cisalhamento com relação à tensão normal líquida foram reagrupadas as séries
de ensaios antes apresentados mantendo agora a sucção mátrica constante e
variando a tensão normal líquida. A tabela 6.9 mostra as novas séries de ensaios
que foram aplicadas para o solo Residual Jovem e para o Colúvio. Além disso,
as curvas tensão cisalhante versus descolamento horizontal, correspondentes a
estas novas séries, são apresentadas nas figuras 6.19 à 6.24.
Tabela 6.9 – Série de Ensaios em função da Tensão Normal líquida aplicada.
Série Ensaio Sucção Mátrica (kPa)
Tensão Normal
Líquida (kPa)
I
CDSC 1 60 40
CDSC 2 60 80
CDSC 3 60 120
II
CDSC 4 120 40
CDSC 5 120 80
CDSC 6 120 120
III
CDSC 7 200 40
CDSC 8 200 80
CDSC 9 200 120
117
Figura 6.19 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do cisalhamento da série I
– solo Residual Jovem.
118
Figura 6.20 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série I –
Colúvio.
119
Figura 6.21 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série II –
solo Residual Jovem.
120
Figura 6.22 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série II –
Colúvio.
121
Figura 6.23 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série III –
solo Residual Jovem.
122
Figura 6.24 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal ao longo do ensaio da série III –
Colúvio.
123
6.4. Ensaios de Cisalhamento direto com ciclos de umedecimento e secado.
Para avaliar efeitos de ciclos de umedecimento e secagem nos materiais
estudados, foi necessário definir níveis de sucção que seriam atingidos em cada
ciclo.
A tabela 6.10 descreve os níveis de sucção a que foram levadas todas as
amostras em cada ciclo durante a fase de equalização, antes de serem
cisalhadas.
Os ensaios I.1, I.2 e I.3 que englobam o ciclo I, representam o efeito da
secagem que sofre o material após ter sido saturado. Os níveis de sucção
iniciais para todos os ensaios deste ciclo foram 60 kPa e as sucções finais
atingidas após a saturação foram 60, 120 e 200 kPa.
Já os ensaios II.1, II.2 e II.3, que englobam o ciclo II representam o re-
umedecimento do material após re-secagem. Da mesma forma que no ciclo I,
as sucções de partida foram 60 kPa, enquanto que as sucções finais atingidas
foram 0 em todos os ensaios.
Tabela 6.10 – Ciclos de Umedecimento e Secagem para o Colúvio e solo
Residual.
Ciclo Ensaio Trajetória
I
I.1 S=60→s=0→s=60
I.2 S=60→s=0→s=120
I.3 S=60→s=0→s=200
II
II.1 S=60→s=0→s=60→s=0
II.2 S=60→s=0→s=120→s=0
II.3 S=60→s=0→s=200→s=0
124
6.4.1. Ciclo I
Na tabela 6.11 e 6.12, são apresentados os índices físicos inicias dos
corpos de prova, após o adensamento e no final do cisalhamento, dos materiais
ensaiados. Pode-se observar que, para ambos os solos, a umidade final dos
corpos de prova, após o cisalhamento, reflete o nível de sucção atingido durante
o ensaio.
Tabela 6.11 – Índices físicos ao longo do Ciclo I para o Colúvio.
Ciclo Ensaio Índices físicos iniciais Final
n (g/cm3) d(g/cm3) Wcampo(%) eo s(%) w(%)
I
I.1 1.56 1.20 30.19 1.22 0.66 27.46
I.2 1.63 1.25 30.61 1.13 0.72 25.15
I.3 1.66 1.29 29.14 1.07 0.73 26.62
Tabela 6.12 – Índices físicos ao longo do Ciclo I para o Solo Residual Jovem.
Série Ensaio Índices físicos iniciais Final
n (g/cm3) d(g/cm3) Wcampo(%) e s(%) w(%)
I
I.1 1.59 1.24 28.40 1.23 0.64 34.04
I.2 1.59 1.23 29.42 1.25 0.65 31.56
I.3 1.55 1.21 27.84 1.28 0.60 29.26
As figuras 6.25 a 6.30 apresentam as curvas de tensão cisalhante versus
deslocamento horizontal obtidas a partir dos ensaios I.1, I.2 e I.3 para o Colúvio
e Residual Jovem respectivamente, comparadas com as curvas obtidas dos
ensaios de resistência sem ciclos de umedecimento e secagem.
No caso do Colúvio as curvas tensão cisalhante versus deslocamento
horizontal apresentam uma ligeira diminuição de resistência com respeito à
resistência obtida sem ciclo de umedecimento e secagem. A curva da figura
6.22, no ensaio I.2 apresenta, porém, um comportamento contrário, já que a
resistência mostrada é ligeiramente maior que a obtida sem ciclos de
umedecimento e secagem.
125
Nas curvas de deslocamento vertical versus deslocamento horizontal,
apresentadas nas figuras 6.21 a 6.23, observou-se um menor deslocamento
vertical com relação às curvas obtidas sem ciclos de umedecimento e secagem.
Para o solo Residual Jovem, da mesma forma que no Colúvio, as curvas
tensão cisalhante versus deslocamento horizontal apresentam uma ligeira
diminuição de resistência com respeito à resistência obtida sem ciclo de
umedecimento e secagem.
As curvas de deslocamento vertical versus deslocamento horizontal
apresentadas as figuras 6.24 à 6.26 não mostram um claro comportamento da
diminuição do deslocamento vertical como foi visto no Colúvio, já que para níveis
de sucção de 60 e 120 kPa as curvas com ciclos de umedecimento e secagem
apresentam um maior deslocamento com respeito à curva obtida sem ciclos de
umedecimento e secagem.
126
Figura 6.25 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal do ensaio I.1 com ciclo e sem ciclo
de umedecimento e secagem no Colúvio.
127
Figura 6.26 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal do ensaio I.2 com ciclo e sem ciclo
de umedecimento e secagem no Colúvio.
128
Figura 6.27 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal do ensaio I.3 com ciclo e sem ciclo
de umedecimento e secagem no Colúvio.
129
Figura 6.28 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal do ensaio I.1 com ciclo e sem ciclo
de umedecimento e secagem no solo Residual Jovem.
130
Figura 6.29 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal do ensaio I.2 com ciclo e sem ciclo
de umedecimento e secagem no solo Residual Jovem.
131
Figura 6.30 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal do ensaio I.3 com ciclo e sem ciclo
de umedecimento e secagem no solo Residual Jovem.
132
6.4.2. Ciclo II
Nas tabelas 6.9 e 6.10, são apresentados os índices físicos iniciais dos corpos
de prova, após o adensamento e no final do cisalhamento, dos materiais
ensaiados.
Cabe ressaltar que os valores de umidade final após o cisalhamento mostrados
na tabela 6.9 e 6.10 para ambos os solos, não apresenta uma boa correlação
com o nível de sucção a que foram ensaiadas as amostras, sendo que o valor da
umidade na condição saturada (sucção 0 kPa) apresenta valores mais altos.
Este aspecto será discutido no capítulo de interpretação de resultados.
Tabela 6.13 – Índices físicos ao longo do Ciclo II para o Colúvio.
Ciclo Ensaio Índices físicos iniciais Final
n (g/cm3) d(g/cm3) Wcampo(%) eo s(%) w(%)
II
II.1 1.70 1.31 30.19 1.03 0.78 30.93
II.2 1.64 1.26 30.61 1.12 0.73 29.82
II.3 1.61 1.24 29.71 1.14 0.69 30.99
Tabela 6.14 – Índices físicos ao longo do Ciclo II para o Solo Residual Jovem.
Série Ensaio Índices físicos iniciais Final
n (g/cm3) d(g/cm3) Wcampo(%) e s(%) w(%)
II
II.1 1.57 1.18 32.97 1.34 0.68 39.51
II.2 1.59 1.19 33.68 1.32 0.70 40.59
II.3 1.51 1.11 35.50 1.48 0.66 38.50
As figuras 6.31 e 6.32 apresentam as curvas de tensão cisalhante versus
deslocamento horizontal obtidas a partir dos ensaios II.1, II.2 e II.3 comparadas
com a curva obtida sem ciclos de umedecimento e secagem (condição
submersa), para o Colúvio e o Residual Jovem.
Das curvas de resistência obtidas para o solo Colúvio (figura 6.31),
percebe-se que só fazendo uma comparação entre as curvas com ciclos de
umedecimento e secagem, o valor da sucção atingido não apresenta uma clara
influência na resistência. Por exemplo, na comparação entre as curvas obtidas, a
133
maior resistência é observada para um nível de sucção atingido de120 kPa,
seguido de 60 kPa e finalmente 200 kPa.
Ao comparar as curvas com e sem ciclo de umedecimento e secagem, é
possível observar um incremento de resistência com o ciclo, fato contrário ao
suposto provável (diminuição de resistência ao cisalhamento do solo devido a
um ciclo de secagem e umedecimento).
Já nas curvas deslocamento vertical versus deslocamento horizontal,
observou-se uma clara influência da sucção atingida na fase de secagem, onde
quanto menor a sucção atingida, menor é a compressão do material.
No caso do solo Residual Jovem (figura 6.32) percebe-se que na
comparação entre as curvas com ciclos de umedecimento e secagem, o valor da
sucção atingido na secagem do solo tem uma ligeira influência nos valores de
tensão cisalhante. Sendo assim, quanto maior é a sucção atingida na secagem,
ligeiramente maior é a resistência ao cisalhamento. Porém, na comparação com
a curva obtida sem ciclo de umedecimento e secagem verificou-se o mesmo
acontecido com o Colúvio.
Contrariando o mostrado no Colúvio nas curvas deslocamento vertical
versus deslocamento horizontal, a variação de volume do solo residual jovem
não é claramente influenciada pela sucção atingida na fase de secagem.
134
Figura 6.31 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal dos ensaios II.1, II.2 e II.3
comparadas com a obtida da condição submersa no solo Colúvio.
135
Figura 6.32 – Curvas de tensão cisalhante, deslocamento vertical e variação
volumétrica com respeito ao deslocamento horizontal dos ensaios II.1, II.2 e II.3
comparadas com a obtida da condição submersa no solo Residual Jovem.
7 Interpretação de Resultados
Neste capitulo primeiramente é apresentado o critério que foi adotado para
a definição do ponto de ruptura, na análise dos resultados apresentados no
capitulo anterior.
Em seguida são avaliados os resultados obtidos a partir da fase de
adensamento, com o objetivo de determinar uma possível influência da sucção
na compressibilidade dos materiais estudados.
Posteriormente, é analisada a resistência considerando a influência da
sucção através dos resultados obtidos nas séries de ensaios de cisalhamento
com sucção controlada, apresentando-se as envoltórias de resistência. Além
disso, são determinados os parâmetros associados a estas envoltórias e como
estes são influenciados pela sucção mátrica. São apresentadas, também, as
equações que descrevem o comportamento não saturado de ambos os solos.
Finalmente as envoltórias obtidas são comparadas com aquelas obtidas
depois dos ciclos de umedecimento e secagem, visando verificação da sua
influência na resistência dos solos estudados.
7.1. Critério de definição de ruptura utilizado
Devido a um acréscimo da resistência com o incremento do deslocamento
horizontal, como foi confirmado nos resultados obtidos dos ensaios, de Campos
e Carrillo (1995) estabeleceram como ponto de ruptura, o ponto em que a curva
tensão – deslocamento atinge uma inclinação constante. Definidos os pontos em
cada curva para a condição saturada e não saturada, traçaram-se as envoltórias
de resistência. Como é mostrado na figura 7.1.
137
Ponto de Ruptura
Ponto de Ruptura
Ten
são
Cis
alha
nte
(kP
a)
Deslocamento Horizontal (mm)
Figura 7.1 – Critério de definição dos pontos de ruptura.
7.2. Compressibilidade dos Materiais
7.2.1. Amostras Submersas
Visando representar a compressibilidade do material, na condição
submersa, foi plotada a variação do índice de vazios dos corpos de prova que
foram obtidos no final da fase de adensamento versus a tensão normal aplicada.
Como são mostrados nas figuras 7.2 e 7.3, ambos os solos apresentam
um acréscimo da variação dos índices de vazios conforme aumenta a tensão
normal líquida.
138
10 100 1000
n (kPa)
0.4
0.3
0.2
0.1
0
e/
(1+
e0)
Figura 7.2 – Curva de compressibilidade em função da tensão normal na condição
submersa, para o solo Residual jovem.
10 100 1000
n (kPa)
0.4
0.3
0.2
0.1
0
e
/(1+
e 0)
Figura 7.3 – Curva de compressibilidade em função da tensão normal na condição
submersa, para o Colúvio.
139
7.2.2. Amostras Não-Saturadas
No caso das amostras na condição não saturada, avaliou-se uma possível
influência da sucção na compressibilidade dos materiais estudados. Para isso foi
plotado a variação dos índices de vazios versus a tensão normal líquida, para
cada uma das séries executadas, nos dois solos, como se apresenta nas figuras
7.4 e 7.5.
10 100 1000
Tensão normal líquida (kPa)
0.15
0.1
0.05
0
e/(
1+e
0)
sucção 60 kPa
sucção 120 kPa
sucção 200 kPa
Figura 7.4 – Variação do índice de vazios com a tensão normal líquida para o solo
Residual Jovem.
10 100 1000
Tensão Normal líquida (kPa)
0.2
0.15
0.1
0.05
0
e
/(1
+e 0
)
sucção 60 kPa
sucção 120 kPa
sucção 200 kPa
Figura 7.5 – Variação do índice de vazios com a tensão normal líquida para o
Colúvio.
140
A partir dos gráficos, percebe-se que o Residual Jovem apresenta uma
clara influência da tensão líquida na sua compressibilidade, notando um ligeiro
acréscimo na variação dos índices de vazios com um aumento da tensão
normal.
Porém, para o Colúvio, este comportamento não é bem definido,
mostrando assim uma diminuição e posterior acréscimo na variação dos índices
de vazios com um aumento da tensão normal.
7.3. Resistência ao Cisalhamento
7.3.1. Resistência ao Cisalhamento na Condição Submersa
Baseado no critério de ruptura descrito anteriormente é apresentado nas
tabelas 7.1 e 7.2 os pares de tensões obtidos no momento da ruptura.
Série Ensaio Ƭr (kPa) (σ)r
(kPa) δhr(mm)
I
CD1 18,54 42,78 6,50
CD2 59,75 87,69 8,77
CD3 79,36 128,77 6,82
Tabela 7.1 – Tensão cisalhante, tensão normal e deslocamento horizontal na
ruptura para o solo Residual jovem.
Tabela 7.2 – Tensão cisalhante, tensão normal e deslocamento horizontal na
ruptura para o Colúvio.
Com os pontos encontrados foram traçadas as envoltórias de resistência e,
a partir de um ajuste linear foram obtidos os parâmetros de resistência. Como é
apresentado nas figuras 7.6 e 7.7 para ambos os solos.
Série Ensaio Ƭr (kPa) (σ)r
(kPa) δhr(mm)
I
CD 1 27,62 42,37 5,60
CD 2 42,22 87,10 7,00
CD 3 79,16 128,57 6,67
141
y = 0,6226xR² = 0,9519
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150Ten
são
Cis
alh
ante
(kN
/m²)
Tensão Normal (kN/m²)
C'=0
Ø'=32
Figura 7.6 – Envoltória de resistência de amostras submersas do solo Residual
Jovem.
Figura 7.7 – Envoltória de resistência de amostras submersas do Colúvio.
Analisando as envoltórias obtidas, pode-se observar que o solo Residual
Jovem e o Colúvio apresentam o mesmo intercepto coesivo c’, mas com
diferentes ângulos de atrito Ø’, sendo que o solo Residual Jovem tem o maior
ângulo de atrito Ø’ = 32°. Tal aspecto é compatível com o fato deste material
apresentar menor teor de finos.
c’= 0
Ø’=30°
142
Portanto, é o solo Residual Jovem que apresenta a maior resistência na
condição submersa.
7.3.2. Resistencia ao Cisalhamento na Condição Não saturada
As tabelas 7.3 e 7.4 apresentam os pares de tensão cisalhante (Ƭr) e
tensão normal líquida (σr-ua), obtidos nos pontos de ruptura no solo Residual
Jovem e Colúvio respectivamente, para os ensaios na condição não saturada.
Série Ensaio
Tensão Normal líquida (kPa)
Sucção Mátrica (kPa)
Ƭr (kPa) (σ-ua)r
(kPa) δhr
(mm)
I
CDSC 1 40 60 91,27 41,79 4,28
CDSC 2 40 120 106,65 82,22 4,72
CDSC 3 40 200 123,51 127,05 5,70
II
CDSC 4 80 60 151,86 41,98 2,72
CDSC 5 80 120 169,73 82,47 3,00
CDSC 6 80 200 190,51 125,76 4,47
III
CDSC 7 120 60 181,16 42,25 6,70
CDSC 8 120 120 212,50 83,21 4,58
CDSC 9 120 200 238,83 127,70 5,71
Tabela 7.3 – Tensão cisalhante, tensão normal líquida, sucção mátrica e
deslocamento horizontal na ruptura para o solo Residual Jovem.
Série Ensaio
Tensão Normal líquida (kPa)
Sucção Mátrica (kPa)
Ƭr (kPa) (σ-ua)r
(kPa) δhr(mm)
I
CDSC 1 40 60 100,90 41,32 3,20
CDSC 2 40 120 153,89 41,50 3,61
CDSC 3 40 200 186,93 41,94 5,24
II
CDSC 4 80 60 119,20 84,45 5,28
CDSC 5 80 120 185,05 84,43 5,25
CDSC 6 80 200 229,31 85,13 5,70
III
CDSC 7 120 60 152,84 125,47 4,89
CDSC 8 120 120 229,10 126,23 4,94
CDSC 9 120 200 247,17 125,57 4,43
Tabela 7.4 – Tensão cisalhante, tensão normal líquida, sucção mátrica e
deslocamento horizontal na ruptura para o solo Colúvio.
143
Com os pontos obtidos plotaram-se as envoltórias de resistência com
relação à sucção (ua – uw) de cada série descrita, para o solo Residual Jovem e
o Colúvio respectivamente as quais são apresentadas nas figuras 7.8 e 7.9.
Analisando as envoltórias foi possível observar que em todos os solos a
relação entre a resistência ao cisalhamento na condição não saturada e a
sucção mátrica é não linear. Para descrever melhor este comportamento, os
pontos experimentais foram ajustados a uma função hiperbólica expressa na
equação 7.1. Inicialmente proposta por Orencio Monje.
As tabelas 7.5 e 7.6 apresentam as equações utilizadas para o ajuste
hiperbólico.
Tabela 7.5 – Equações de ajuste Hiperbólico para o solo Residual Jovem.
Tensão Normal
Líquida (kPa) Função Hiperbólica R2
60 =18,54+(ua-uw)/((0,577+0,0031(ua-uw)) 0,994
120 =59,75+(ua-uw)/((1,011+0,0014(ua-uw)) 0,990
200 =79,36+(ua-uw)/((1,077+0,0008(ua-uw)) 0,989
Tabela 7.6 – Equações de ajuste Hiperbólico para o Colúvio.
Tensão Normal Líquida (kPa)
Função Hiperbólica R2
60 =27,62+(ua-uw)/((0,591+0,0033(ua-uw)) 0,998
120 =42,22+(ua-uw)/((0,599+0,00229(ua-uw)) 0,997
200 =79,16+(ua-uw)/((0,519+0,0031(ua-uw)) 0,977
Cabe ressaltar que no caso do solo Residual jovem notou-se uma perda da
não linearidade com o aumento da tensão normal líquida, ou seja, as envoltórias
foram se tornando mais lineares conforme a tensão normal líquida incrementava.
144
Onde:
(μa-μw) = sucção mátrica
Ƭ = tensão cisalhante para um determinado valor de sucção
Ƭo = tensão cisalhante na condição submersa.
a, b = parâmetros da função hiperbólica (obtidos por mínimos quadrados)
0 50 100 150 200 250 300
sucção (kPa)
0
50
100
150
200
250
300
Ten
são
cis
alh
ante
(k
Pa)
tensão liquida 40 kPa
tensao liquida 80 kPa
tensao liquida 120 kPa
ajuste 40 kPa
ajuste 80 kPa
ajuste 120 kPa
Figura 7.8 – Envoltória de resistência não saturada no plano Tensão Cisalhante
vs. sucção mátrica do solo Residual jovem.
0 50 100 150 200 250 300
Sucção (kPa)
0
50
100
150
200
250
300
Ten
são
cis
alh
ante
(k
Pa)
tensão liquida 40 kPa
tensao liquida 80 kPa
tensao liquida 120 kPa
ajuste 40 kPa
ajuste 80 kPa
ajuste 120 kPa
145
Figura 7.9 – Envoltória de resistência não saturada no plano Tensão Cisalhante
vs. sucção mátrica do Colúvio.
Além de apresentar um claro acréscimo de resistência ao cisalhamento
com o aumento da sucção em todos os solos, percebeu-se que o ângulo Øb
apresenta valores maiores que Ø´ para sucções abaixo de 200 kPa, o que difere
da literatura e observações feitas por Escario & Sáez (1986) e Fredlund et al.
(1987), os quais propõem que para sucções baixas o valor de Øb deve ser
próximo a Ø’. Valores de Øb maiores foram observados em trabalhos realizados
por Teixeira & Vilar (1997), Soares (2005) e Lopes (2006).
São apresentadas nas figuras 7.10 e 7.11 as envoltórias de resistência em
função da tensão líquida (σ – ua).
0 50 100 150 200
tensão liquida (kPa)
0
50
100
150
200
250
300
Ten
são
cis
alh
ante
(k
Pa)
sucçao 0 kPa
sucçao 60 kPa
sucçao 120 kPa
sucçao 200 kPa
ajuste linear
Figura 7.10 – Envoltória de resistência não saturada no plano Tensão Cisalhante
vs. Tensão Normal Líquida do solo Residual jovem.
0 50 100 150 200
tensão liquida (kPa)
0
50
100
150
200
250
300
Ten
são
cis
alh
ante
(kP
a)
sucçao 0 kPa
sucçao 60 kPa
sucçao 120 kPa
sucçao 200 kPa
ajuste linear
146
Figura 7.11 – Envoltória de resistência não saturada no plano Tensão Cisalhante
vs. Tensão Normal Líquida do solo Colúvio.
Das envoltórias mostradas, verifica-se que a resistência ao cisalhamento
na condição não saturada aumenta tanto com o acréscimo de sucção quanto
com o acréscimo da tensão normal líquida.
As tabelas 7.7 e 7.8 apresentam os parâmetros da envoltória obtidos no
plano da tensão cisalhante versus tensão normal líquida.
Tabela 7.7 – Parâmetros de resistência no plano da Tensão normal líquida para o
solo Residual Jovem.
(ua – uw)
(kPa)
Caparente
(kPa) Ø’(°) R2
0 0,0 32,0 0,952
60 75,5 20,7 1,000
120 132,2 24,8 0,999
200 154,0 34,0 0,994
Tabela 7.8 – Parâmetros de resistência no plano da Tensão normal líquida para o
Colúvio.
(μa – μw)
(kPa)
Caparente
(kPa) Ø’(°) R2
0 0.0 30,0 0,9297
60 72,8 31,6 0,966
120 114,8 41,5 0,988
200 160,2 35,9 0,930
O ganho de resistência na envoltória tensão cisalhante vs. tensão normal
líquida para diferentes níveis de sucção pode ser representado pelo incremento
da coesão aparente. As figuras 7.12 e 7.13 apresentam este incremento com
relação à sucção mátrica, e seu ajuste a uma função hiperbólica é descrito pelas
equações 7.2 e 7.3 para os dois materiais estudados.
147
0 50 100 150 200 250 300
sucção mátrica (kPa)
0
50
100
150
200
250
300
Co
esão
ap
are
nte
(kP
a)
coesãoaparente
ajuste
Figura 7.12 – Variação da coesão aparente com relação à sucção mátrica para o
solo Residual jovem.
0 50 100 150 200 250 300
sucção mátrica (kPa)
0
50
100
150
200
250
300
Co
esão
ap
aren
te (
kPa)
coesãoaparente
ajuste
Figura 7.13 – Variação da coesão aparente com relação à sucção mátrica para o
solo Colúvio.
148
As figuras 7.14 e 7.15 mostram a influência da sucção mátrica no ângulo
de atrito Ø’ e o ângulo Øb. Analisando estas figuras, percebe-se que a influência
da sucção mátrica no ângulo de atrito não é bem definida pelo fato que os
pontos obtidos encontram-se dispersos. Por outro lado no caso do ângulo Øb,
ambos os solos mostram claramente uma diminuição deste com o aumento da
sucção mátrica. Porém cabe ressaltar que esta diminuição no solo residual é
mais pronunciada que no Colúvio. Este mesmo comportamento foi encontrado
nos materiais avaliados por Carrillo (1993), Soares (2004) e Lopes (2006).
0 50 100 150 200 250
sucção mátrica (kPa)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Ø',
Øb
(°)
Øb
Ø'
Figura 7.14 – Variação de Ø’ e Øb com relação à sucção mátrica para o solo
Residual Jovem.
0 50 100 150 200 250
sucção mátrica (kPa)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Ø',
Øb
(°)
Øb
Ø'
Figura 7.15 – Variação de Ø’ e Øb com relação à sucção mátrica para o Colúvio.
149
Finalmente as equações 7.4 e 7.5 definem a envoltória de resistência em
função das duas variáveis de estado, sucção mátrica (ua – uw) e tensão normal
líquida (σ – ua). Considerando um ângulo de atrito médio de 27,9° e 34,8° na
equação para o solo Residual jovem e Colúvio, respectivamente; plotaram-se as
envoltórias tridimensionais apresentada nas figuras 7.16 e 7.17.
Figura 7.16 – Envoltória Tridimensional de Resistência para o solo Residual
jovem.
150
Figura 7.17 – Envoltória Tridimensional de Resistência para o Colúvio.
151
7.3.3. Comparação dos Resultados Obtidos com Estimativas Indiretas da Resistencia ao Cisalhamento Através de Formulações Simplificadas
As figuras 7.18 e 7.19 mostram a comparação entre a envoltória obtida
experimentalmente neste trabalho e as envoltórias obtidas através das quatro
formulações descritas no capitulo 2 para os dois solos estudados.
0 50 100 150 200 250 300
sucção (kPa)
0
50
100
150
200
250
300
Ten
são
cis
alh
ante
(k
Pa)
Dados Exp. (120kPa)
Lytton (1996)
Oberg and Sallfors(1997)
Khallili and Khabbaz (1998)
Vanapalliand Fredlund (1996)
Vanapalli(1996)
Figura 7.18 – Comparação das envoltórias obtidas com as formulações propostas
pelos autores com a envoltória obtida experimentalmente para o solo Residual jovem.
0 50 100 150 200 250 300
Sucção (kPa)
0
50
100
150
200
250
300
Ten
são
cis
alh
ante
(k
Pa)
Dados Exp.(120kPa)
Lytton(1996)
Oberg and Sallfors(1997)
Khallili and Khabbaz(1998)
Vanapalli and Fredlund (1996)
Vanapalli(1996)
Figura 7.19 – Comparação das envoltórias obtidas com as formulações propostas
pelos autores com a envoltória obtida experimentalmente para o Colúvio.
152
Analisando as curvas, percebe-se claramente que as cinco formulações
forneceram estimativas de resistência ao cisalhamento muito mais baixas que as
obtidas experimentalmente, sendo as respostas muito conservadoras.
Isto era de se esperar já que todas as formulações têm como consideração
que o parâmetro Øb é sempre menor ou no máximo igual a Ø’.
O mesmo resultado foi verificado por Soares (2005) e Lopes (2006).
7.3.4. Comparação dos Resultados Obtidos com outros materiais encontrados na literatura
Como forma de avaliar os resultados obtidos, foi realizada uma
comparação com resultados obtidos a partir de ensaios de cisalhamento direto
com sucção controlada realizados em materiais de características similares em
amostras indeformadas.
Para fins de comparação, foi utilizado resultados de publicações
anteriores, com ensaios realizados em solos Residuais e Coluvios.
Esses dados foram retirados dos trabalhos de Delgado (1993), Soares
(2005) e Lopes (2006). As tabelas 7.9 e 7.10 apresentam de forma resumida as
características físicas dos materiais escolhidos para a comparação.
Solo Areia (%) Silte
(%) Argila
(%) LL (%)
LP (%)
IP (%) Gs e Grossa Media Fina
Coluvio PUC
(Soares, 2005)
9,2 16,3 14,6 5,5 53,5 54,0 27,8 26,2 2,73 0,90-0,96
Coluvio Amarelo
V.Chinesa (Carrillo,
1993)
13,7 19,4 17,1 4,7 43,9 47,2 21,3 25,9 2,77 1,14-1,26
Coluvio Vermelho V.Chinesa (Carrillo,
1993)
16,5 12,8 15,1 6,0 42,8 62,0 43,4 18,6 2,75 1,02-1,10
Coluvio Tinguá
24,6 14,2 7,7 10,1 40,5 64,5 35,9 28,6 2,66 0,97-1,19
Tabela 7.9 – Resumo das características físicas dos 4 Colúvios considerados.
153
Dos quatro Colúvios, todos de forma geral apresentam características
similares, exceto o Colúvio Vermelho da Vista Chinesa que apresenta um baixo
índice de plasticidade com relação aos outros, mas se espera que essa
diferença não seja significativa.
Tabela 7.10 – Resumo das características físicas dos 3 Solos Residuais considerados.
Dos três solos residuais escolhidos, o solo Residual de Belo Horizonte
apresenta a menor fração de areia na granulometria, e o Residual da vista
chinesa possui um maior conteúdo da fração argila com relação aos outros
materiais.
Nas figuras 7.20 e 7.21 são apresentadas as envoltórias de resistência
com relação à sucção para os quatro solos residuais e quatro solos Coluvio
escolhidos, respectivamente. Todas as envoltórias foram obtidas considerando
uma tensão normal líquida (σ - ua), em torno de 50 kPa.
Analisando as figuras 7.20 e 7.21, para a tensão normal líquida escolhida,
todos os materiais apresentam um comportamento não linear e um acréscimo do
ângulo Øb significativo na faixa de sucções de 0 a 150 kPa.
Das figuras 7.22 e 7.23 observou-se que para todos os materiais, o ângulo
Øb diminui com o aumento da sucção.
Solo Areia (%) Silte (%) Argila (%) LL (%)
LP (%)
IP (%)
Gs
Residual Belo Horizonte
(Bernadete, 2006).
8,0 81,0 10,60 49,10 30,60 18,5 2,80
Residual da vista Chinesa
Vermelho (Carrillo, 1993).
60,0 6,46 24,42 50,65 32,21 18,44 2,79
Residual de Tinguá, RJ.
63,5 29,8 6,6 -- -- -- 2,76
154
0 50 100 150 200 250 300
Sucção (kPa)
0
50
100
150
200
250
300
Ten
são
cis
alh
ante
(kP
a)Coluvio, Tinguá
Coluvio Amarelo, Vista Chinesa
Coluvio Vermelho, Vista Chinesa
Coluvio, PUC
Figura 7.20 – Comparação das envoltórias de resistência para todos os solos
Coluvionares.
0 50 100 150 200 250 300
sucção (kPa)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Ten
são
cis
alh
an
te (
kPa)
Residual, Tinguá
Residual, B. Horizonte
Residual, V. Chinesa
Figura 7.21 – Comparação das envoltórias de resistência para todos os solos
residuais.
155
0 50 100 150 200 250
sucção mátrica (kPa)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Øb
(°)
Coluvio, Tinguá
Coluvio Amarelo, V.Chinesa
Coluvio Vermelho, V.Chinesa
Coluvio, PUC
Figura 7.22 – Comparação das Variações de Øb com a sucção para todos os solos
Coluvionares.
0 50 100 150 200 250
sucção mátrica (kPa)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Øb
(°)
Residual,Tinguá
Residual, B. Horizonte
Residual, V.Chinesa
Figura 7.23 – Comparação das Variações de Øb com a sucção para todos os solos
Residuais.
156
7.3.5. Influência dos Ciclos de Umedecimento e Secagem na Resistencia ao Cisalhamento.
Baseados nos resultados apresentados no capítulo anterior apresenta-se
neste item uma discussão da influência ou não dos processos de umedecimento
e secagem na resistência dos solos estudados.
7.3.6. Secagem após a Saturação
Os ensaios do ciclo I tentaram simular o efeito da secagem após a
saturação na resistência ao cisalhamento, em ambos os solos.
Aplicando o critério de resistência já definido anteriormente, foram
retiradas das curvas tensão vs. deslocamento horizontal, correspondentes ao
ciclo II, o par de tensões na ruptura. Posteriormente, plotaram-se estes pontos
na envoltória de resistência e foram comparados com aqueles obtidos sem
ciclagem, para uma tensão normal líquida de 120 kPa, como é mostrado nas
figuras 7.24 e 7.25.
0 50 100 150 200 250 300
Sucção (kPa)
0
50
100
150
200
250
300
Ten
são
cis
alh
ante
(k
Pa) sem ciclo(120kPa)
com ciclo(120 kPa)
Figura 7.24 – Superposição dos pares de tensões do ciclo I na envoltória de
resistência, para uma tensão normal líquida de 120 kPa – Colúvio.
157
0 50 100 150 200 250 300
sucção (kPa)
0
50
100
150
200
250
300
Ten
são
cis
alh
an
te (
kPa)
sem ciclo (120 kPa)
com ciclo(120 kPa)
Figura 7.25 – Superposição dos pares de tensões da série I na envoltória de
resistência, para uma tensão líquida de 120 kPa – solo Residual jovem.
Da figura 7.24 percebe-se que, para os níveis de sucção 120 e 200 kPa a
influência é positiva sendo que os valores de resistência submetidos aos ciclos
de umedecimento e secagem estão acima dos obtidos sem ciclos. Exceto no
nível de sucção de 60 kPa, a influência torna-se negativa já que que o valor de
resistência com ciclo é ligeiramente abaixo dos obtidos sem ciclos.
No caso do solo Residual jovem (figura 7.25) notou-se que, para todos os
níveis de sucção a influência é negativa sendo que os valores de resistência
submetidos aos ciclos de umedecimento e secagem são menores que os obtidos
sem ciclos.
Portanto, para o Colúvio, a secagem após da saturação não apresenta
uma clara influência na resistência ao cisalhamento devido à dispersão de
dados; enquanto que no solo Residual jovem a influência é negativa gerando
uma queda na resistência ao cisalhamento, mesmo que para o nível de sucção
de 120 kPa essa influência seja pouco significativa.
158
7.3.7. Saturação após a secagem
Os ensaios do ciclo II representam a saturação que sofre o solo após a
secagem.
Nesse sentido, o objetivo desta série de ensaios foi avaliar a influência do
processo de saturação após a secagem e também a influência do nível de
sucção que foi atingido durante o processo de secagem, na resistência ao
cisalhamento. Como primeira análise plotaram-se as tensões cisalhantes obtidas
dos ensaios com ciclos versus o nível de sucção atingido antes da saturação.
Além disso, plotou-se no mesmo gráfico a tensão cisalhante corresponde à
sucção zero (sem ciclos) do ensaio na condição submersa, (ver figura 7.26 e
7.27).
0 50 100 150 200 250
Nivel de Sucção atingidaantes da saturação (kPa)
0
50
100
150
200
250
Te
nsã
o c
isa
lha
nte
(k
Pa) Resistencia após
a saturação (com ciclo)
Resistencia Submersa (sem ciclo)
Figura 7.26 – Resistência ao cisalhamento após a saturação versus o nível de
sucção atingido antes da saturação, para uma tensão líquida de 120 kPa – Colúvio.
159
0 50 100 150 200 250
Nivel de Sucção atingidaantes da saturação (kPa)
0
50
100
150
200
250
Te
nsã
o c
isa
lha
nte
(k
Pa) Resistencia após
a saturação (com ciclo)
Resistencia Submersa(sem ciclo)
Figura 7.27 – Resistência ao cisalhamento após da saturação versus o nível de
sucção atingido antes da saturação, para uma tensão líquida de 120 kPa – solo Residual
Jovem.
A análise da figura 7.26 mostra que, os valores da resistência com ciclos
de umedecimento e secagem são mais elevados que a resistência obtida na
condição submersa, mesmo que teoricamente a resistência foi obtida no mesmo
nível de sucção (μa – μw) = 0, para ambos os casos. Uma resposta a este fato
pode ser que a saturação por meio da técnica de translação de eixos não esteja
sendo atingida. Consequentemente, o corpo de prova estaria a uma sucção
diferente de zero (ua – uw) ≠ 0.
Com relação à influência do nível de sucção atingido antes da saturação, o
valor da resistência correspondente ao nível de sucção de 120 kPa é
ligeiramente maior comparado aos outros.
Da mesma forma que no caso do Colúvio, apresenta-se no solo Residual
jovem (figura 7.27), ou seja, os valores de resistência com ciclagem são maiores
que os obtidos na condição submersa. O fato pode ser explicado da mesma
forma que no caso do solo Colúvio.
A influência do nível de sucção atingido antes da saturação no solo
Residual jovem foi similar ao obtido no solo Colúvio onde o valor da resistência
correspondente ao nível de sucção de 120 kPa é ligeiramente maior comparado
aos outros. Em ambos os casos, o Coluvio e o residual jovem não apresentaram
variações volumétricas.
8 Conclusões e sugestões
8.1. Conclusões
8.1.1. Caracterização física, química e mineralógica.
Os resultados dos ensaios de granulometria mostram que a fração
predominante para o solo Residual jovem é a areia enquanto que para o Colúvio
é Argila.
Segundo os ensaios de limites de consistência, o Colúvio apresenta uma
baixa atividade da fração argila.
Com respeito à distribuição dos poros nos solos, o Colúvio apresenta uma
distribuição bimodal mostrando uma concentração de poros na faixa de
microporos e macroporos. O solo Residual jovem apresenta uma concentração
de poros na faixa de macroporos.
As análises químicas totais refletem o estado avançado de intemperismo
em ambos os solos, pelos altos teores de alumina (Al2O3) e sílica (SiO2)
encontrados.
Os termogramas obtidos do solo Residual Jovem e Colúvio mostram que a
fração argila encontra-se constituída por Caulinita e Gibsita com Caulinita,
respectivamente.
As análises das imagens obtidas através da microscopia eletrônica de
varredura (MEV) verificaram o mostrado pela porosimetria de mercúrio com
respeito à presença de macroporos e microporos no Colúvio. Além de identificar
a presença de material cimentante envolvendo os grãos maiores no solo
Residual jovem.
A curva de retenção do Colúvio apresenta comportamento bimodal, ou
seja, possui 2 pontos de inflexão. O solo Residual jovem apenas um ponto de
inflexão. As equações propostas por Fredlund e Xing (1994) forneceram um
ajuste adequado para os dados experimentais das curvas de retenção bimodal e
unimodal.
161
A previsão da curva característica a partir da porosimetria de mercúrio
forneceu uma boa estimativa com relação à forma, mas não com a posição como
foi mostrado nas figuras 5.19 à 5.23.
8.1.2. Compressibilidade
Analisando as amostras não saturadas, observou-se para o solo Residual
jovem um pequeno incremento na variação do índice de vazios com aumento da
tensão normal líquida; enquanto que para o Colúvio esta influência não é bem
definida pelo fato da dispersão na variação do índice de vazios.
8.1.3. Resistencia ao cisalhamento
Os resultados experimentais permitiram concluir que a resistência ao
cisalhamento não saturado versus sucção mátrica apresenta um comportamento
não linear para ambos os solos. No caso do solo residual jovem, esta não
linearidade se tornou linear para as tensões normais líquidas de 80 e 120 kPa.
Este fato pode ser explicado pela presença de uma fraca cimentação tipo ponte
envolvendo os grãos na estrutura do solo residual jovem, sendo que para as
tensões normais liquidas de 80 e 120 kPa estas ligações são rompidas e, como
consequência, a envoltória se torna linear.
A resistência ao cisalhamento não saturada versus tensão normal líquida
mostrou-se linear para os níveis de tensão normal líquida aplicados. Notou-se
nestas envoltórias uma leve variação dos ângulos de atrito com a sucção, mas
sem mostrar um comportamento definido.
O comportamento de todas as envoltórias de resistência com respeito à
sucção foram bem representados por uma função hiperbólica da forma:
O valor médio de Ø’, para sucções de 0 a 200 kPa e tensões líquidas
maiores que 40 kPa, é de 28.7° (solo Residual jovem) e 34.9°. (Colúvio).
No caso do ângulo Øb, o valor elevado encontrado para baixas sucções
(menores que 30 kPa), em ambos os solos, possivelmente está associado a uma
dessaturação rápida a partir do valor de entrada de ar 10 kPa (para o solo
Residual jovem) e 5 kPa (para o Colúvio). Este fato foi verificado também nos
materiais avaliados por Soares (2005) e Lopes (2006).
162
Foram bem representadas as envoltórias de resistência para o solo não
saturado através das envoltórias tridimensionais apresentadas na figura 7.16 e
7.17. Constatou-se que o valor de Øb é influenciado pelo incremento da sucção
em ambos os solos, sendo que o valor de Øb diminui com o aumento da sucção
mátrica. Porém o ângulo Ø’ não mostrou uma clara influência, pelo fato de que
os pontos obtidos encontram-se dispersos.
Dos métodos de previsão de resistência ao cisalhamento de solos não
saturados nenhum apresentou resultado satisfatório comparado com os dados
experimentais. Tal fato pode ser explicado devido a que todas as formulações
consideram que o valor de Øb é no máximo Ø’, mas como foi constatado nos
resultados experimentais, o valor de Øb para baixas sucções é maior que Ø’.
Da comparação dos resultados obtidos com outros materiais encontrados
na literatura observou-se que todos os materiais de modo geral apresentam o
mesmo comportamento não linear. Nesse sentido, encontrou-se que todas as
envoltórias de resistência apresentaram valores de Øb elevados para baixas
sucções. Embora se tenha calculado a velocidade adequada para o ensaios de
cisalhamento, este valor também poderia ser um fator importante para a
obtenção de estes valores contraditórios com a literatura.
A partir dos resultados obtidos dos ensaios com ciclos de umedecimento e
secagem, pôde-se concluir que a secagem após a saturação no solo Residual
jovem mostra uma diminuição na resistência ao cisalhamento enquanto que no
Colúvio não se pôde apreciar devido à dispersão de dados. Uma explicação a
este fato poderia ser o observado por autores como Utomo (1980) e Cafaro e
Coteccha (2001) que concluíram que o principal processo de intemperismo é a
secagem e esta gera uma queda na resistência com mais facilidade em
materiais com grãos maiores, como é o caso do solo Residual comparado com o
Colúvio. Porém, apesar de que o solo Residual jovem apresente uma queda na
resistência, a influência da secagem após da saturação não pode ser confirmada
já que este fato poderia ser também decorrente da diferencia entre os blocos de
solo utilizados para os ensaios com ciclos e sem ciclos.
Finalmente, através da saturação após a secagem, observou-se que a
resistência com ciclos é significativamente maior que a resistência sem ciclo em
ambos os solos. Esta significativa diferença pode ser explicada devido a que o
processo de saturação pela técnica de translação de eixos não esteja sendo
atingida.
163
Com respeito à influência do nível de sucção atingida na secagem não foi
encontrada uma clara influência na resistência ao cisalhamento em ambos os
solos, sendo que para o nível de sucção de 120 kPa observou-se um ligeiro
acréscimo quando comparado com os outros, mas não forneceu uma tendência
clara com respeito à sucção atingida.
8.2. Sugestões
Como sugestões para futuras pesquisas no equipamento de CDSC,
aponta-se uma modificação na aplicação da carga vertical, especificamente na
união tipo universal localizada na base da célula de carga vertical, a fim de
diminuir a variação da carga durante o cisalhamento.
Além disso, seria interessante a substituição do DAVE de 300 kPa
(pressão de borbulhamento), atualmente montado no equipamento por um de
500 kPa com o fim de poder realizar ensaios com sucções maiores às que
foram executadas no presente trabalho e poder definir com mais clareza a não
linearidade da envoltória de resistência, em especial para o caso do solo
Residual Jovem.
Dado que a velocidade de cisalhamento nas amostras em condição não
saturada pode ter uma influencia nos resultados obtidos, sugere-se executar
uma serie de ensaios com diferentes velocidades a fim de determinar sua
influencia nos valores de resistência obtidos.
De forma geral, sugere-se formular novos modelos para previsão da
resistência ao cisalhamento não saturado que sejam capazes de reproduzir o
comportamento de solos não saturados com características distintas da maioria
dos materiais utilizados nos modelos de previsão, como é o caso do solo
Residual jovem e Colúvio estudados no presente trabalho.
Para posteriores estudos dos efeitos do ciclo de umedecimento e
secagem, realizar análise de microscopia ambiental a fim de constatar as
mudanças na estrutura do solo decorrente da saturação e secagem. E, também,
realizar mais de um ciclo de umedecimento e secagem para verificar a influência
do número de ciclos na resistência do solo.
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Apêndice A Calibração dos instrumentos eletrônicos e saturação do disco cerâmico (DAVE)
A.1. Calibração dos instrumentos eletrônicos de medição.
Como foi descrito anteriormente no capitulo 3 o sistema de aquisição de
dados do equipamento CDSC esteve conformado por dois transdutores de
pressão, dois transdutores de deslocamento, duas células de carga e um
medidor de variação de volumétrica. Antes de dar inicio à execução dos ensaios
foi necessário calibrar todos os instrumentos a fim de obter a curva de calibração
de grandezas físicas versus grandezas elétricas.
Para a aquisição de dados dos ensaios realizados foi utilizado um sistema
de aquisição de dados da marca DATAQ Instruments modelo DI710 Serew
Terminal Access. Os dados foram armazenados no computador com auxilio do
programa DATAQ Instruments Hardware Device Manager. Para excitação
elétrica dos instrumentos utilizou-se uma fonte de tensão regulada de 10 v.
Figura A.1 – Sistema de aquisição de dados.
172
Instrumento Capacidade Sensibilidade Ganho Resolução Referência
Célula de Carga
Vertical 10 KN 0,400 mV/V.KN 250 0,0024 mm
Wikeham
Farrance
Célula de Carga
Horizontal 25 KN 0,081 mV/V.KN 500 0,0061 mm
Wikeham
Farrance
Transdutor de
Pressão de ar 1000 Kpa 0,010 mV/V.KPa 100 0,2464 kPa Druck Limited
Transdutor de
Pressão de água 1000 Kpa 0,010 mV/V.KPa 100 0,2464 kPa Druck Limited
Medidor de variação
de volumétrica
(MVV)
14 cm3 2,995 mV/V.KPa 1 0,0068 cm3
BELOFRAM
com LSCDT
(WF)
Transdutor de
deslocamento
horizontal
25,80 mm 1,393 mV/V.KN 1 0,0127 mm LSCDT (WF)
Transdutor de
deslocamento vertical 13,90 mm 1,393 mV/V.KN 1 0,0072 mm LSCDT (WF)
Tabela A.1 – Características dos instrumentos elétricos de medição.
Para a calibração dos transdutores de deslocamento (LSCDT) horizontal e
vertical utilizou-se um micrometro de precisão, onde eram impostos
deslocamentos de 1,27mm até o final do curso dos transdutores. Na figura A.2
são apresentadas as curvas de calibração ajustadas a uma função linear para o
transdutor de deslocamento vertical e para o de deslocamento horizontal.
Para a calibração dos transdutores de pressão de água e ar foi utilizado o
equipamento de pressão Budenberg, através do qual foram aplicados valores
conhecidos de pressão. Na figura A.4 são apresentadas as curvas de calibração
ajustadas a uma função linear para o transdutor de pressão de água e para o ar.
As células de carga horizontal e vertical foram calibradas através da
aplicação de pesos conhecidos com o uso do pendural e o braço de alavanca no
mesmo equipamento. Na figura A.3 são apresentadas as curvas de calibração
ajustadas a uma função linear da célula de carga horizontal e da vertical.
O medidor de variação volumétrica (MVV) foi calibrado com o uso da
bureta graduada com precisão 0,01 cm3, onde eram registradas as variações de
volume decorrentes do fluxo gerado. Na figura A.5 é apresentada a curva de
calibração ajustada a uma função linear.
173
(a)
(b)
Figura A.2 – Curva de calibração do transdutor de deslocamento: (a) vertical; (b)
horizontal.
174
(a)
(b)
Figura A.3 – Curva de calibração do transdutor de pressão: (a) de ar; (b) de água.
175
(a)
(b)
Figura A.4 – Curva de calibração da célula de carga: (a) horizontal; (b) vertical.
176
Figura A.5 – Curva de calibração do medidor de variação volumétrico.
A.2. Saturação do Disco Cerâmico de Alto Valor de Entrada de Ar (DAVE).
Tal como foi descrito no capitulo 3 para saturar o disco colocou-se uma
camada de água até cobrir à pedra. Depois disso, fechou-se a câmara e aplicou-
se uma gradiente através de uma aplicação de pressão dentro da câmara, a fim
de gerar um fluxo que passe através da pedra até saturá-la completamente.
Com ajuda do MVV verificou-se que a variação volumétrica torna-se
constante ao longo do tempo, quando o disco estiver saturado. A figura A.6
apresenta a curva de volume percolado versus o tempo de percolação.
177
Figura A.6 – Curva de Volume percolado vs. Tempo de percolação.
Q= 0.0031 cm3/s
i= 2262
A= 0.0176 m2
k= 7.80E-09 cm/s
k= 7.80E-11 m/s
A partir dos resultados obtidos da curva de volume percolado, a gradiente
aplicada e a área do DAVE calculou-se o valor do coeficiente de permeabilidade
saturado do DAVE k=7,80 x 10-9 cm/s.