guilherme roberto slongo desenvolvimento de um sistema...

Guilherme Roberto Slongo

Desenvolvimento de um Sistema Triaxial Servo-Controlado e Avaliação do Comportamento Mecânico de um Solo Residual de Biotita Gnaisse.

Dissertação de Mestrado

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio.

Orientador: Tácio Mauro Pereira de Campos

Rio de Janeiro, Setembro de 2008

DBD

PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0611838/CA

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Desenvolvimento de um Sistema Triaxial Servo-Controlado e Avaliação do Comportamento Mecânico de um Solo Residual de Biotita Gnaisse.

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.

Prof. Tácio Mauro Pereira de Campos Orientador

Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio

Prof.ª Michéle Dal Toé Casagrande Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio

Prof. Sérgio Tibana Departamento de Engenharia Civil - UENF

Prof. George de Paula Bernardes Departamento de Engenharia Civil – FEG/UNESP

Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico - PUC-Rio

Rio de Janeiro, 19 de Setembro de 2008

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Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador.


Graduou-se em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Paraná – UFPR em 2005. Principal área de interesse: Mecânica dos Solos Não Saturados.

Ficha Catalográfica

CDD: 624

Slongo, Guilherme Roberto Desenvolvimento de um sistema triaxial servo-controlado e avaliação do comportamento mecânico de um solo residual de Biotita Gnaisse / Guilherme Roberto Slongo ; orientador: Tácio Mauro Pereira de Campos. – 2008. 142 f. : il.(color.) ; 30 cm Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil)–Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2008. Inclui bibliografia 1. Engenharia civil – Teses. 2. Triaxial. 3. Solo residual. 4. Trajetória de tensões. 5. Eletronível. 6. Solos não saturados. I. Campos, Tácio Mauro Pereira de. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título.

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"A mente que se abre a uma nova idéia jamais voltará ao seu tamanho original." (Albert Einstein)

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Agradecimentos

Primeiramente agradeço ao meu orientador Professor Tácio, pelo incentivo constante, pela ajuda, pela confiança e amizade.

Agradeço todos os Professores da PUC-Rio que contribuíram com este trabalho em especial ao Professor Franklin pela dedicação e atenção. Ao Professor Araruna e sua esposa Débora que pela prontidão em ajudar. Ao Professor Luiz Gusmão pelo auxílio imprescindível com a instrumentação.

Agradeço a todos do Laboratório que me auxiliaram em especial ao William por compartilhar de seu conhecimento e por sua amizade.

Ao incentivo financeiro da PUC-Rio, CAPES, FAPERJ e do CNPq. Aos funcionários da PUC-Rio pela prestatividade. Á Rita e Fátima pela atenção e ao Marcel por sempre estar disposto a me auxiliar e pela amizade.

Agradeço ao meu pai Edson por me ensinar a admirar a engenharia e por ser o exemplo de pessoa a quem desejo seguir. À minha mãe Rute, pelo amor, apoio e cumplicidade. Aos meus irmãos Daniela e Júnior pela preocupação e pelas palavras de motivação. Amo todos vocês.

Á minha namorada Carla por sempre me incentivar e apoiar nesta jornada. Por ser a pessoa maravilhosa que é. Principalmente por seu amor. Te amo.

Aos amigos que descobri no mestrado que tornaram esta caminhada mais fácil. E em especial a estas seis pessoas que admiro Elvídio, Bazan, Roberto, Lorena, Viviam e Jociléia.

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Resumo

Slongo, Guilherme Roberto; de Campos, Tácio Mauro Pereira; Desenvolvimento de um Sistema Triaxial Servo-Controlado e Avaliação do Comportamento Mecânico de um Solo Residual de Biotita Gnaisse. Rio de Janeiro. 142p. Dissertação de Mestrado – Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

A presente dissertação contemplou o estudo de propriedades mecânicas de

um solo Residual Biotita Gnaisse do Alto Leblon (Município do Rio de Janeiro) e

o desenvolvimento de um equipamento triaxial para ensaios não saturados. Para o

estudo do comportamento mecânico foi desenvolvido um programa experimental

que envolveu: (a) ensaios de caracterização física; (b) caracterização mineralógica

através da difratometria de Raio-X, microscopia óptica e Microscopia Digital; (c)

determinação de propriedades não saturadas através da curva característica

determinada utilizando o método do papel filtro, porosimetria de mercúrio e

análise digital de imagem; (d) parâmetro de resistência ao cisalhamento através de

ensaios triaxiais convencionais e não convencionais com controle de trajetória de

tensões na condição saturada; (e) análise dos Módulos Iniciais com a utilização de

sensores para a medição de deformação externa e interna (Eletronível tipo

Imperial College) e os efeitos das trajetórias de tensões sobre os Módulos Iniciais.

O equipamento Triaxial desenvolvido para ensaios na condição parcialmente

saturada está equipado com um sistema de medição de variação de volume total

do corpo de prova o qual está baseado no princípio de vasos comunicantes aliado

a uma balança de precisão. Visando eliminar o efeito de dilatação, a câmara

triaxial foi desenvolvida utilizando o artifício da câmara dupla. O equipamento

encontra-se montado, porém não houve a possibilidade de sua validação devido a

atrasos no processo de importação de componentes referentes ao controle,

aplicação de pressões e aquisição de dados.

Palavras-chave Triaxial; solo residual; trajetória de tensões; eletronível; solos não saturados.

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Abstract

Slongo, Guilherme Roberto; de Campos, Tácio Mauro Pereira; Development of a Servo-Controlled Triaxial Equipament and Evaluation of Mechanical Behaviour of a Biotite-Gneiss Residual Soil. Rio de Janeiro. 142p. Msc. Dissertation – Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

This dissertation presents a study of the mechanical properties of biotite

gneiss residual soil found at Alto Leblon, Rio de Janeiro, and the development of

a triaxial equipment for unsaturated soil testing. An experimental program has

been created to study the mechanical behaviour of soil. The methodology

proposed by this campaign is: (a) physical characterization tests; (b) mineralogical

characterization by X-Ray difratometry tests, optical microscopy and digital

microscopy analysis; (c) study of unsaturated properties based on its moisture

retention curve – which has been determined by using the filter paper method, the

mercury intrusion porosimetry test and digital image analysis; (d) by obtaining

shear strength parameter through conventional and unconventional triaxial tests

using stress paths controlled at a saturated condition and; (e) by analyzing the

Initial Modules using sensors to measure internal and external axial strain

(Imperial College electrolevel) and to study the stress paths effects on Initial

Modules. The triaxial equipment used in this research was specially developed for

the study of unsaturated soils. It includes a system for measuring the total volume

variation of the specimen. This system is based on the principle of communicating

vessels and is associated with a precision balance. The triaxial chamber has been

developed based upon the dual chamber principle to eliminate dilatation effects.

The equipment has been set up, but its validation was not possible due to a delay

in the importation process of control, pressure application and data acquisition

components.

Keywords Triaxial; residual soil; stress path; electrolevel; unsaturated soils.

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Sumário

1 Introdução 18

2 Revisão Bibliográfica 20

2.1. Solo Residual 20

2.1.1. Solo Residual - Cimentação 22

2.1.2. Solo Residual - Plastificação 25

2.2. Teoria do Estado Crítico 27

2.3. Superfície de Roscoe 31

2.4. Superfície de Hvorslev 32

2.5. Equipamentos Triaxiais 36

2.6. Medição de Deformações Locais 38

3 Características da Área de Estudo 40

3.1. Localização 40

3.2. Clima 41

3.3. Geoambiental 42

3.4. Geomorfológico 43

3.5. Vegetação 45

3.6. Geologia 46

3.7. Solos 48

4 Ensaios Realizados e Metodologias Empregadas 50

4.1. Ensaios de Caracterização 50

4.1.1. Caracterização Física 50

4.1.2. Caracterização Mineralógica 51

4.1.2.1. Microscopia Ótica 51

4.1.2.2. Difração de Raio-X 52

4.1.3. Características Não Saturadas 53

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4.1.3.1. Curva de Retenção de Umidade 53

4.1.3.2. Porosimetria de Mercúrio 54

4.1.3.3. Microscopia Digital de Varredura (MDV) 57

4.2. Ensaios Triaxiais 58

4.2.1. Prensa Triaxial com Deformação Controlada 58

4.2.1.1. Interface Ar/Água 60

4.2.1.2. Medidor de Variação de Volume 61

4.2.1.3. Câmara Triaxial 61

4.2.1.4. Transdutor de Poro-Pressão e Tensão Confinante 63

4.2.1.5. Controlador de Pressão 63

4.2.1.6. Prensa Triaxial Eletromecânica 63

4.2.2. Prensa Triaxial Tipo Bishop-Wesley com Tensão

Controlada ou Deformação Controlada 64

4.2.2.1. Interface Ar/Água 65

4.2.2.2. Medidor de Variação de Volume 65

4.2.2.3. Câmara triaxial 65

4.2.2.4. Transdutor de Poro-Pressão e Tensão Confinante 66

4.2.2.5. Controlador de Pressão 66

4.2.2.6. Célula Triaxial Tipo Bishop-Wesley 67

4.2.3. Eletroníveis Tipo Imperial College 68

4.2.4. Procedimentos Iniciais e Materiais Utilizados 69

4.2.4.1. Confecção dos Corpos de Prova 70

4.2.4.1.1. Corpos de Prova Não Amolgados 71

4.2.4.1.2. Corpos de Prova Amolgados 72

4.2.4.2. Membranas Papel Filtro e Pedras Porosas 72

4.2.4.3. Saturação das Linhas do Equipamento Triaxial 73

4.2.5. Metodologia de Cálculo dos Ensaios 73

4.2.5.1. Ensaio Triaxial com Deformação Controlada. 73

4.2.5.2. Ensaio Triaxial com Tensão Controlada 74

5 Caracterização do Solo 75

5.1. Caracterização Geotécnica 75

5.1.1. Índices Físicos 75

5.1.2. Análise Granulométrica 75

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5.1.3. Limites de Atterberg 76

5.2. Característica Mineralógica 77

5.2.1. Microscopia Ótica 77

5.2.2. Difração de Raio-X 79

5.3. Propriedades Não-Saturadas 81

5.3.1. Curva de retenção de umidade 81

5.3.2. Porosimetria de Mercúrio 84

5.3.3. Microscopia Digital de Varredura, 86

6 Apresentação e Análise dos Resultados 89

6.1. Ensaios Triaxiais 89

6.2. Ensaios Triaxiais com Deformação Controlada 93

6.2.1. Ensaios Consolidados Drenados 93

6.2.1.1. Amostras Não Amolgadas 93

6.2.1.2. Amostras Remoldadas 95

6.2.2. Ensaios Consolidados Não Drenados (CIU) 97

6.3. Ensaios Triaxiais Realizados com Controle

de Tensões 99

6.3.1. Ensaios Trajetória de Tensão – Aumento

de Poro-pressão 100

6.3.2. Ensaios Trajetória de Tensão – s’ Constante 102

6.4. Determinação do Módulo Inicial 104

6.4.1. Módulo Inicial para os Ensaios Consolidados

Drenados 105

6.4.2. Módulo Inicial para os Ensaios Consolidados

Não Drenados 107

6.4.3. Módulo Inicial para os Ensaios com Controle

de Trajetória de Tensões 107

6.5. Análise Conjunta dos Resultados 109

6.5.1. Resistência 109

6.5.1.1. Ensaios Drenados e Não Drenados 109

6.5.1.2. Ensaios Drenados com Amostras Não Amolgadas

e Remoldadas 110

6.5.1.3. Ensaios com s’ Constante e Aumento

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de Poro-Pressão (APP) 111

6.5.1.4. Comparação com Solo Estruturado 112

6.5.2. Módulo Inicial 114

6.5.2.1. Efeito do Índice de Vazios 114

6.5.2.2. Ensaios Drenados com Amostra Indeformada

e Remoldada 115

6.5.3. Ensaios com s’ Constante e Aplicação

de Poro-Pressão (APP) 116

7 Desenvolvimento de Equipamento Triaxial Não Saturado 118

7.1. Descrição do Equipamento 121

7.1.1. Câmara Triaxial 122

7.1.2. Sistema de Medição de Variação de Volume Total 126

7.1.3. Sistema de Aquisição de Dados e Controle 131

7.1.4. Sistema de Aplicação de Pressões 132

7.1.5. Instrumentação 133

8 Conclusões e Sugestões para Futuros Trabalhos 135

8.1. Conclusões 135

8.2. Sugestões para Futuros Trabalhos 137

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Lista de Figuras

Figura 2.1 – Comportamento de solo com Cimentação

(Vaughan et al, 1988). 24

Figura 2.2 – Ensaio Triaxial em Rocha Calcária

(Lagioia & Nova, 1995). 26

Figura 2.3 – Superfície de Plastificação para Solos

(a) Sedimentares (b) Residuais (Leroueil & Vaughan. 1990). 26

Figura 2.4 – Pontos de Plastificação de Areia

Carbonática Cimentada Artificialmente (Coop & Atkinson, 1993). 27

Figura 2.5 – Representação Estado Crítico (Atkinson & Bransby, 1978). 28

Figura 2.6 – Comportamento do Material ao Cisalhamento

(Atkinson & Bransby, 1978). 29

Figura 2.8 – Linha de estado crítico (Atkinson & Bransby, 1978). 31

Figura 2.9 – Superfície de Roscoe (Atkinson & Bransby, 1978). 32

Figura 2.10 – Resultados típicos de ensaios triaxiais

convencionais drenados em amostras pré-adensadas (Wood, 1991). 33

Figura 2.11 – Resultados em termos de trajetórias de tensões

de um ensaio triaxial convencional drenado (Wood, 1991). 34

Figura 2.12 – Ensaios Triaxiais em argilas pré-adensadas (Parry, 1960). 35

Figura 2.13 – Superfície de Hvorslev (reta AB) e de Roscoe

(linha BC) em conjunto com as linhas de estado críticos (ponto B)

e alinha de compressão isotrópica (ponto C) (Parry, 1960). 35

Figura 2.14 – Superfície de Roscoe e Hvorslev (Wood, 1991). 36

Figura 2.15 – Esquema do equipamento de ensaios triaxiais

para solos não saturados (Wheeler & Sivakumar, 1992). 38

Figura 2.16 – Eletronível tipo Imperial College desenvolvido na PUC-Rio. 39

Figura 3.1 – Imagem de Satélite (Fonte Google Earth). 40

Figura 3.2 – Área de Estudo (Georreferenciamento). 41

Figura 3.3 – Mapa Geoambiental. 43

Figura 3.4 – Mapa Geomorfológico. 45

Figura 3.5 – Vegetação Parque Nacional Dois Irmãos. 46

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Figura 3.7 – Mapa de Solos. 49

Figura 4.1 – Difratômetro Siemens D 5000 e Interface do

Software TOPAS da Bruker AXS. 53

Figura 4.2 – Microscópio Óptico Zeiss AxioPlan 2IE. 58

Figura 4.3 – Prensa Triaxial de Deformação Controlada

- Wykeham Farrance WF100072. 59

Figura 4.4 – Sistema de Aquisição de Dados Orion. 60

Figura 4.5 – Câmara Triaxial. 62

Figura 4.6 – Equipamento Triaxial com Tensão Controlada

(Imperial College). 64

Figura 4.7 – Prensa Pneumática (Imperial College). 68

Figura 4.8 – Eletroníveis (Imperial College). 69

Figura 4.9 – Abertura de Bloco para Moldagem. 71

Figura 4.10 – Preparação de Corpo de Prova. 71

Figura 5.1 – Distribuição Granulométrica. 76

Figura 5.3 – Lâmina Petrográfica. 78

Figura 5.4 – Lamina Petrográfica – Ampliação do Detalhe na Fig. 5.3. 78

Figura 5.5 – Difratograma Material Retido na peneira 40. 80



Figura 5.8 – Curva de retenção de umidade. 82

Figura 5.9 – Curva Característica com ajustes. 84

Figura 5.10 – Curva de Distribuição de Poros. 84

Figura 5.11 – Curva de Distribuição de Poros 85

Figura 5.12 – Curva característica – Porosimetria de Mercúrio. 86

Figura 5.13 – Lâmina Petrográfica Completa. 87

Figura 6.1 – Comparação entre as curvas σd : εaxial com

εvolumétrica :εaxial (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados

em amostras Não amolgadas). 94

Figura 6.2 – Trajetória de Tensão (Ensaios Triaxiais Consolidados

Drenados em amostras Não amolgadas). 95



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em amostras Remoldadas). 96


Drenados em amostras Remoldadas). 97


Δu : εaxial (Ensaios Triaxiais Consolidados Não Drenados). 98

Figura 6.6 – Trajetória de Tensão (Ensaios Triaxiais

Consolidados Não Drenados). 99



com Controle da Trajetória de Tensões). 101


Drenados com Controle da Trajetória de Tensões). 102



com Controle da Trajetória de Tensões – s’ cte.). 103


Drenados com Controle da Trajetória de Tensões – s’ cte.). 104

Figura 6.11 – Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios CD. 106

Figura 6.12 – Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios CDR. 106

Figura 6.13 – Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios CIU. 107

Figura 6.14 – Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios

de descarregamento lateral. 108

Figura 6.15 - Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios com

s’ constante. 108

Figura 6.16 – Envoltória Única de Resistência. 109

Figura 6.17 – Trajetória de Tensões dos Ensaios Drenados. 110

Figura 6.18 – Trajetória de Tensões dos Ensaios s’ constante e APP. 112

Figura 6.19 – Trajetória de Tensões Comparada com Estudos Anteriores. 113

Figura 6.20 – Efeito do Índice de Vazios nos Módulos Iniciais. 115

Figura 6.21 – Módulos Iniciais dos Ensaios Drenados Remoldado

e Indeformado. 116

Figura 6.22 – Módulos Iniciais dos Ensaios Drenados sob trajetória de tens. 117

Figura 7.1 – Ciclo de Controle. 118

Figura 7.2 – Equipamento Triaxial Não Saturado. 119

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Figura 7.3 – Visão Geral do Equipamento Triaxial para Ensaios

Não Saturados. 121

Figura 7.4 – Detalhe Câmara Dupla. 122

Figura 7.5 – Acesso de tubulações a Câmara Triaxial. 124

Figura 7.6 – Top cap e pedestal. 125

Figura 7.7 – Conjunto Top Cap e Pedestal. 126

Figura 7.8 – Sistema de Variação de Volume. 129

Figura 7.9 – Reservatório em PVC. 129

Figura 7.10 – Calibração do Sistema de Medição de Variação

de Volume Total. 131

Figura 7.11 – Calibração do Sistema de Medição de Variação de Volume. 131

Figura 7.12 – Box (Controlador de Pressão). 132

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Lista de Tabelas

Tabela 2.1 - Características físicas típicas de solos residuais

brasileiros (Sandroni, 1981). 22

Tabela 2.2 – Revisão dos Equipamentos Triaxiais Desenvolvidos. 37

Tabela 5.1 – Índices Físicos. 75

Tabela 5.2 – Distribuição Granulométrica. 75

Tabela 5.4 – Limites de Atterberg. 76

Tabela 5.5 – Resultados da observação com a lupa binocular. 79

Tabela 5.6 – Equação de Calibração do Papel Filtro. 82

Tabela 5.7 – Equações de Ajuste para a Curva Característica. 83

Tabela 5.8 – Valores dos Parâmetros de Ajuste (Curva Característica). 83

Tabela 5.9 – Classificação IUPAC (Diâmetro de Poros). 85

Tabela 5.10 – Relação das Porosidades Através da Técnica de

Microscopia Digital de Varredura. 87

Tabela 5.11 – Porosidades Através das diferentes. 88

Tabela 6.1 – Representação das nomenclaturas utilizadas 91

Tabela 6.2 – Resumo das Propriedades dos Corpos de Prova. 92

Tabela 6.3 – Relação de ensaios instrumentados com Eletronível. 104

Tabela 6.4 – Valores dos Parâmetros de Resistência. 110

Tabela 6.5 – Valores dos Parâmetros de Resistência APP. 112

Tabela 7.1 – Relação de Acessos Câmara Triaxial. 123

Tabela 7.2 – Relação de Materiais Utilizados para Calibração

Prévia do MVVT. 130

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Lista de Quadros

Quadro 6.1 – Organograma dos ensaios triaxiais realizados. 90

Quadro 7.1 – Convenção das Linhas. 120

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1 Introdução

A presente pesquisa visou à análise do comportamento mecânico de um solo

residual de Biotita Gnaisse proveniente do Parque Nacional Dois Irmãos,

localizado no bairro Alto Leblon, Município do Rio de Janeiro, através de ensaios

triaxiais na condição saturada. No âmbito desta pesquisa foi desenvolvido um

equipamento triaxial para ensaios na condição não saturada com controle de

sucção.

O solo utilizado já havia sido objetivo de pesquisa em outras dissertações de

mestrado do curso de Pós-Graduação da PUC-Rio e, portanto possui algumas

características conhecidas. O comportamento mecânico foi estudado sob o aspecto

de compressibilidade uni-dimensional e resistência ao cisalhamento em ensaios

triaxiais na condição saturada por Oliveira (2000). O local escolhido para esta

dissertação foi objetivo de pesquisa de Lima (1994), em um trabalho sobre

caracterização química e mineralógica de perfis de alteração biotita Gnaisse.

Neste trabalho Lima apresenta uma análise mineralógica do perfil.

A escolha do solo utilizado na presente dissertação foi realizada em função

de já existirem blocos armazenados na câmara úmida do Laboratório de Geotecnia

e Meio Ambiente da PUC-Rio, não necessitando desprender tempo com

amostragem, e por já haverem dados referentes ao comportamento mecânico na

condição saturada. Sendo assim, foi visado no início das atividades de pesquisa o

desenvolvimento de um equipamento triaxial para se realizar ensaios na condição

parcialmente saturada, o que através da junção resultados resultaria na envoltória

de resistência não saturada. Por outro lado, devido à longa permanência dos

blocos na câmara úmida tomou-se o cuidado de repetir os ensaios de

caracterização para avaliar uma possível variação das características do solo.

Para tanto, foram determinadas inicialmente as propriedades Geotécnicas do

solo compreendendo Índices físicos, Granulometria e Limites de Atterberg. A

análise Mineralógica foi composta por dois métodos: Microscopia Ótica e

Difração de Raio-X. Juntamente a estes ensaios, com intuito de caracterizar

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19

algumas propriedades não saturadas, foram realizados ensaios de Porosimetria de

Mercúrio, Microscopia Digital com processamento de imagem e Curva de

Retenção de Água através do método do papel filtro.

Ensaios triaxiais na condição saturada foram executados, visando à

determinação, através do emprego de diferentes trajetórias de tensões, do

comportamento mecânico quanto à cimentação e dos parâmetros de resistência.

Foram também realizadas análises dos Módulos Iniciais provenientes das

deformações axiais medidas utilizando-se transdutores de deslocamento externo

(LSCDT) e interno (Eletronível tipo Imperial College).

Em paralelo à caracterização mecânica do solo estudado, foi realizado o

desenvolvimento de um equipamento triaxial, servo controlado, para ensaios na

condição não saturada com controle de sucção. Ressalta-se que o equipamento

encontra-se montado no aguardo do sistema de aquisição de dados, controle e

instrumentação, visto que foram adquiridos, porém estão em tramite do processo

de importação. Portanto a validação do equipamento não pode ser realizada dentro

do tempo estipulado da presente dissertação.

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2 Revisão Bibliográfica

No presente Capítulo apresenta-se uma revisão bibliográfica, objetivando

as seguintes temáticas:

• Solos residuais com relação à gênese e efeito da cimentação no

comportamento mecânico do mesmo;

• Abordagem sobre a Teoria do Estado Crítico, relacionada ao

comportamento de solos normalmente consolidados (resultando na

Superfície de Roscoe), bem como solos pré-adensados (provendo a

Superfície de Hvorslev);

• Comportamento de solos estruturados com ênfase na abordagem da

superfície de plastificação e módulo de deformabilidade (influência

da medição da deformação axial);

• Revisão sobre características básicas em equipamentos triaxiais.

2.1. Solo Residual

Os solos residuais são formados a partir da decomposição das rochas pelo

intemperismo químico, físico e biológico, e permanecem in situ, sem sofrer

qualquer tipo de transporte. Processos físicos (alívio de tensões pela erosão,

deformação por variação de temperatura e congelamento, e pressões de

cristalização de sais depositados em fraturas) fragmentam a rocha, expondo novas

superfícies ao ataque químico. Em conseqüência, a permeabilidade do material

aumenta, possibilitando a percolação de fluidos quimicamente reativos.

Processos químicos, sobretudo hidrólise e oxidação, alteram os minerais da

rocha original para formar argilo-minerais mais estáveis (Mitchell, 1993). O

intemperismo biológico inclui ambos, ação física (fendilhamento pela penetração

de raízes) e ação química (oxidação bacteriológica, redução de ferro e compostos

sulfúricos)

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A gênese dos solos residuais pode decorrer do intemperismo de rochas

ígneas, metamórficas ou sedimentares. O intemperismo químico e físico estão na

maioria das vezes inter-relacionados, agindo em conjunto.

As características destes solos, ou seja, sua composição mineralógica e

granulométrica, estrutura e espessura, dependem do clima, relevo, tempo e tipo de

rocha de origem. O clima exerce uma influência considerável no grau de

intemperismo (Weinert, 1964, 1974; Morin e Ayetey, 1971). A ocorrência do

intemperismo físico tem maior incidência sobre climas secos pois o intemperismo

químico está diretamente condicionado pela disponibilidade de água e variações

de temperatura. O relevo controla o grau de intemperismo, determinando a

drenagem da água através da zona de intemperismo. Este também controla a idade

efetiva do perfil pelo controle da velocidade de erosão do material intemperizado

da superfície. Assim, um perfil residual mais espesso pode ser geralmente

encontrado em vales e encostas suaves mais facilmente do que em terrenos altos

ou em encostas íngremes (Morin e Ayetey, 1971).

Segundo Vaughan (1988), o processo de intemperismo modifica a estrutura

e as propriedades do solo independentemente da história de tensões. A gênese dos

solos residuais apresenta uma dificuldade particular em relacionar a estrutura do

solo com a sua história de tensões, pois ambos mudam continuamente.

A estrutura resulta diretamente dos processos físicos e químicos no campo,

os quais alteram a rocha matriz para formação do solo residual. As mudanças

geoquímicas envolvidas na transformação da rocha em solo residual, segundo

Vaughan e Kwan (1984), podem envolver vários fatores:

- efeitos não químicos devido a mudanças na tensão efetiva, provenientes de

ressecamento e inchamento, que podem ser cíclicos;

- diminuição da resistência da rocha por alteração e remoção de material,

acompanhado por perdas de massa, resistência, rigidez e por um aumento de

porosidade;

- aumento de volume sob tensão efetiva constante, caso o intemperismo

produza minerais argílicos expansivos, e caso a perda de massa durante o

intemperismo não venha a equilibrar a expansão destes minerais argílicos;

O solo residual apresenta comportamento bastante diferenciado em relação

aos solos sedimentares. O desenvolvimento de um modelo que generalize o

comportamento dos solos residuais é muito dificultado pela heterogeneidade,

DBD


22

anisotropia e outras peculiaridades de ordem geológica. O comportamento deste

tipo de solo está fortemente ligado à sua estrutura e características herdadas da

rocha matriz.

Quanto à história de tensões, de acordo com Vaughan e Kwan (1984), deve

ocorrer descarregamento vertical durante o intemperismo, decorrente da perda de

peso e devido à erosão superficial. Como o solo é continuamente modificado pelo

intemperismo durante este descarregamento, o efeito de tensões prévias em sua

estrutura deve ser minimizado ou removido. Deve-se ressaltar que a estrutura

atual de um solo residual está em equilíbrio e é associada ao seu atual estado de

tensão, e que o efeito de tensões anteriores, às quais ele foi submetido durante sua

evolução, será pequeno.

Devido ao processo de intemperismo, as partículas sólidas presentes são

grãos minerais individuais ou aglomerados originados da rocha matriz, ou criados

pelo intemperismo, com graus variados de alteração e enfraquecimento.

Os solos residuais podem apresentar uma ampla faixa de porosidade, mesmo

quando derivados de uma mesma rocha matriz. Na Tabela 2.1, estão reproduzidos

valores típicos de densidade dos grãos e índice de vazios de solos residuais

encontrados no Brasil.

Tabela 2.1 - Características físicas típicas de solos residuais brasileiros (Sandroni,

1981).

Rocha Matriz Densidade dos Grãos (G)

Índice de Vazios (e)

Gnaisse 2,60-2,80 0,3-1,1

Quartzito 2,65-2,75 0,5-0,9

Xisto 2,70-2,90 0,6-1,2

Filito e Ardósia 2,75-2,90 0,9-1,3

Basalto 2,80-3,20 1,2-2,1

2.1.1. Solo Residual - Cimentação

Perante a mecânica dos solos clássica, a cimentação entre partículas não é

levada em consideração, pois os modelos constitutivos clássicos foram

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23

desenvolvidos para solos sedimentares não-cimentados provenientes do

hemisfério norte, e envolvem conceitos de porosidade inicial e sua subseqüente

modificação pela história de tensões. Atualmente se reconhece a existência de

diversos materiais cimentados de ocorrência natural que não podem ter suas

componentes de rigidez e resistência ao cisalhamento explicadas apenas pela

relação entre porosidade inicial e a história de tensões (Vaughan, 1985, Vaughan,

Maccarini e Mokhtarr, 1988, Leroueil e Vaughan, 1990).

Vários pesquisadores (Leroueil e Vaughan, 1989; Vaughan, 1985; Vaughan

et al 1988) consideram a presença de uma estrutura fracamente cimentada como

uma feição dominante em solos residuais. Tal cimentação contribui para a

resistência e rigidez destes solos.

Estas cimentações podem ser quebradas pela deformação do solo durante o

carregamento. Uma vez quebradas, tais ligações são irrecuperáveis, exceto pela

escala de tempo dos processos geológicos que as criaram. A resistência dessas

ligações é diferente da componente coesiva da resistência presente em argilas, a

qual é devida a forças atrativas entre as partículas do solo sedimentar. Caso a

densidade e arranjo das partículas sejam recuperados, a componente coesiva da

resistência pode ser recuperada, pelo menos parcialmente.

Segundo Leroueil e Vaughan (1990), a destruição progressiva das ligações

entre as partículas dos solos estruturados pode ser decorrente principalmente por

compressão, expansão, ação do intemperismo, fluência, fadiga ou cisalhamento,

sendo as principais conseqüências da desestruturação a diminuição da rigidez do

solo, a perda de resistência de pico e o decréscimo da tensão de escoamento na

compressão.

Vaughan et al. (1988) apresentou a Figura 2.1 como a representação no

espaço índice de vazios x p’ da diferença de comportamento entre solos

estruturados e não estruturados. A partir desta Figura o autor conclui que:

• Devido a um elevado índice de vazios decorrente da existência de

cimentação, estes solos quando solicitados a altos graus de saturação

irão mostrar um diminuição significativa de resistência;

• O fator que irá reger a localização do solo no espaço estruturado é a

cimentação. O solo se manterá rígido até a fluência. A localização do

ponto de fluência no gráfico dependerá da resistência da cimentação

do solo;

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24

• Grandes deformações de compressão se desenvolvem quando a

fluência ocorre no espaço para solo estruturado, o que depende do

índice de vazios e da diferença no índice de vazios entre o ponto de

fluência e a curva que limita o espaço permitido para que um solo

estruturado possa existir.

Figura 2.1 – Comportamento de solo com Cimentação (Vaughan et al, 1988).

Analisando a Figura 2.1 nota-se que durante a realização de ensaios

edométricos em solos estruturados, quando a tensão vertical efetiva ultrapassa a

tensão virtual de pré-adensamento ocorre uma mudança brusca de

comportamento. Esta mudança de comportamento esta relacionada à ruptura da

cimentação. O material, para maiores tensões verticais efetivas, tende a se

aproximar da curva de compressão do material desestruturado. Esta tensão de pré-

adensamento aparente é portanto um ponto de plastificação da estrutura no plano

eo : log p’.

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25

2.1.2. Solo Residual - Plastificação

Segundo Martins, 1994; Martins, 2001; Ferreira, 1998, nos solos que

apresentam cimentação é possível também definir um ponto de plastificação no

ensaio triaxial, quando há uma mudança significativa de deformabilidade na curva

tensão-desvio versus deformação axial. Este ponto corresponde ao nível de tensão

desviadora necessária para romper a estrutura. Logo, a forma da superfície de

plastificação da estrutura pode ser identificada mediante uma combinação de

ensaios edométricos e/ou triaxiais, com níveis de tensão efetiva inicial e/ou

diversas trajetórias de tensões efetivas diferentes.

Leroueil & Vaughan (1990) mostraram que a plastificação da estrutura pode

aparecer como uma descontinuidade na curva tensão desvio versus deformação

axial durante a aplicação de um carregamento monotônico no ensaio triaxial.

Através de resultados de ensaios triaxiais convencionais realizados a altas

pressões, em amostras de uma rocha branda calcárea, Lagioia & Nova (1995),

mostraram que a plastificação da estrutura pode ser muito brusca (colapso).

Segundo os referidos autores, durante o ensaio triaxial, a estrutura da rocha

não consegue sustentar a tensão aplicada, rompendo a cimentação entre os grãos

de uma forma brusca. O colapso foi evidenciado através da variação de volume de

água da câmara triaxial. As curvas de q : εa, deste solo, apresentam um patamar

bastante distinto, já as curvas de εv : εa apresentam, em seu primeiro trecho, uma

variação linear, mostrando que o equipamento triaxial não consegue equalizar a

tensão em um tempo suficientemente curto para a estabilização dessas

deformações (Figura 2.2).

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26

Figura 2.2 – Ensaio Triaxial em Rocha Calcária (Lagioia & Nova, 1995).

Conforme apresentado por Leroueil & Vaughan (1990), em argilas, a

superfície de plastificação da estrutura no plano p’: q é centrada na linha K0

normalmente adensada, devido à anisotropia do material, sendo que, para solos

residuais e para rochas brandas, a superfície de plastificação da estrutura é

centrada no eixo p’, sugerindo que estes solos sejam isotrópicos (Figura 2.3).

Figura 2.3 – Superfície de Plastificação para Solos (a) Sedimentares (b) Residuais

(Leroueil & Vaughan. 1990).

Coop & Atkinson (1993), identificaram a localização do ponto de

plastificação da estrutura para ensaios triaxiais convencionais, e para ensaios com

p’ constante. A plastificação da estrutura pode ser verificada na curva de variação

volumétrica para os ensaios de p’constante e na curva tensão desvio versus

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27

deformação axial para o ensaio triaxial convencional. Como é possível ser

observado na Figura 2.4, para os dois tipos de ensaios (CD e p’constante) a

mudança de comportamento das envoltórias tensão desviadora versus deformação

(i.e. plastificação) ocorre no mesmo ponto indicados pelas setas.

Figura 2.4 – Pontos de Plastificação de Areia Carbonática Cimentada Artificialmente

(Coop & Atkinson, 1993).

2.2. Teoria do Estado Crítico

Na década de 1950, com o acúmulo da experiência sobre o comportamento

de solos em ensaios de laboratório, foram formulados os primeiros modelos do

estado crítico com base na teoria da plasticidade (Roscoe et al., 1958) e

postulando-se a existência de uma superfície de estado limite.

Através da análise dos resultados provenientes de uma série de ensaios

triaxiais de compressão na condição drenada e não drenada realizados em

amostras da argila, Parry (1960) plotou de maneira conjunta os pontos de ruptura

de todos os ensaios e constatou a formação de uma reta simples que passa pela

origem do plano q’:p’ e respectivamente uma linha curva no espaço υ:p’ que

acompanha o formato da curva de compressão normal (Figura 2.5).

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28

Segundo Parry (1960) esta reta simples formada pelos pontos de ruptura

para ambos os ensaios drenados e não drenados define a Linha de Estado Crítico.

Esta é uma importante propriedade, pois as amostras inicialmente pré-adensadas

irão à ruptura, independente da trajetória de tensão, quando o estado de tensão

tocar a linha de estado crítico. A ruptura irá se manifestar como um estado em que

as grandes deformações provenientes do cisalhamento ocorrem sem nenhuma

alteração na tensão, ou no volume específico.

Diz-se que um solo está em uma condição de estado crítico quando este

tende a uma condição na qual deformações plásticas podem evoluir

indefinidamente sem que haja mudanças em seu volume ou nas tensões efetivas

aplicadas (ou em seu estado de tensões efetivas).

O comportamento idealizado descrito a seguir é baseado em dados

experimentais dados por Atkinson e Bransby (1978) e por Wood (1991). A partir

das Figuras 2.5 e 2.6, a condição de estado crítico foi alcançada após deformações

de pelo menos 10%, e está associada à situação na qual o estado residual,

envolvendo orientação de partículas, ainda não foi alcançado. A representação do

estado de orientação as partículas pode ser observado na Figura 2.6.

As relações entre a tensão de cisalhamento, a tensão normal e os e o índice

de vazios do solo em relação ao estado crítico são ilustrados na Figura 2.5.

Figura 2.5 – Representação Estado Crítico (Atkinson & Bransby, 1978).

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29

Figura 2.6 – Comportamento do Material ao Cisalhamento (Atkinson & Bransby, 1978).

A Figura 2.7 (a) e (b) mostra a Linha de Estado Crítico (CSL). Isto mostra

que, no estado crítico, não existe uma única relação entre a tensão de

cisalhamento, a tensão normal e o índice de vazios. A Figura 2.7 (c) é equivalente

à Figura 2.7 (b), porém com a tensão normal em escala logarítmica.

Figura 2.7 – Representação da Linha de estado Crítico (Atkinson & Bransby, 1978).

O estado crítico pode ser expresso pelas equações que se seguem, onde o

subscrito f da tensão e do índice de vazios se refere ao estado último de ruptura ou

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30

estado crítico. Na Figura 2.7 (c) as linhas da compressão normal e do estado

crítico são paralelas e ambas têm a mesma inclinação, Cc. O parâmetro eΓ, define

a posição da linha de estado crítico, do mesmo modo que eo define a posição da

linha de compressão normal. A Equação (2.1) representa o critério de Mohr-

Coulomb na ruptura sendo a coesão igual a zero (c '= 0) e Ø’c o ângulo de atrito

crítico. A linha de estado crítico mostrada na Figura 2.7 (c) está diretamente acima

da linha de compressão normal mostrada na Figura 2.7.

cff 'tan'' φστ = eq. 2.1

fcf Cee 'logσ−= Γ eq. 2.2

Ressalta-se que, no estado crítico, os solos continuam a distorcer (sofrer

deformação cisalhante) sem qualquer alteração da tensão cisalhante ou tensão

normal ou índice de vazios (está em constante estado de deformação) e os

deslocamentos estão associados a escoamentos turbulentos. A característica

essencial do estado crítico é que, durante o cisalhamento, todos os solos, em

última análise, atingem o seu estado crítico (desde que o fluxo continue

turbulento), sem que haja dependência do estado de tensão inicial. Assim, na

Figura 2.7, a tensão cisalhante última ou crítica f'τ é inicialmente a mesma para

ambos os lados seco ou úmido da linha crítica, porque eles têm a mesma tensão

normal efetiva, bem como o mesmo índice de vazios.

A linha geral de estado crítico ilustrada na Figura 2.8 é uma idealização

muito boa para representar o estado último ou crítico de areias e argilas. No

entanto, para materiais com grãos maiores a variação de volume durante o

adensamento e cisalhamento é muitas vezes acompanhada de ruptura dos grãos do

solo, sendo então necessária a aplicação de grandes deformações para identificar

por completo o comportamento.

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31

Figura 2.8 – Linha de estado crítico (Atkinson & Bransby, 1978).

2.3. Superfície de Roscoe

Henkel (1960) realizou uma série de ensaios triaxiais convencionais (σh

constante e σv crescente) e de compressão por descarregamento (σh constante e

σv decrescente) com e sem drenagem. A partir dos dados obtidos com a realização

de ensaios triaxiais drenados, este traçou no espaço 2:σσ a contornos de igual

umidade (que no caso de solos saturados equivalem a contornos de igual volume)

e os comparou com trajetórias de tensões seguidas durante a realização de ensaios

não drenados. Os resultados estão representados na Figura 2.9.

Nota-se que há uma concordância bastante acentuada entre estas isolinhas

de umidade e as trajetórias de tensões obtidas de ensaios triaxiais não drenados.

Diversos outros ensaios publicados levam às mesmas conclusões dos ensaios

publicados por Henkel (1960), de modo que se pode dizer que existe para cada

caso de solos normalmente adensados, uma superfície unindo a linha de

compressão isotrópica à linha de estados críticos, a qual contém, com unicidade,

as coordenadas p’, q e υ, de modo independente da trajetória de tensões adotada.

Esta superfície é denominada superfície de Roscoe.

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32

Figura 2.9 – Superfície de Roscoe (Atkinson & Bransby, 1978).

2.4. Superfície de Hvorslev

Em se tratando de solos pré-adensados, a Figura 2.10 apresenta resultados

de ensaios de compressão isotrópica típicos, enquanto a Figura 2.11 apresenta

resultados típicos de ensaios triaxiais drenados. Nota-se que a amostra, com uma

tensão de confinamento de 34,5 kPa e uma razão de pré-adensamento de 24,

apresenta um máximo valor de q, para valores de εa de cerca de 9%. Com a

continuada deformação da amostra o valor de q decresce, passando a apresentar

valores que variam a taxas cada vez menores com εa, tendendo à projeção da

linha de estados críticos no espaço q x p’ ( 'Mpq = ). O comportamento

volumétrico do solo é também ilustrado nesta Figura. Conforme se pode notar, a

amostra sofre uma pequena compressão inicial, passando a expandir com

acréscimos de εa. A taxa de expansão do solo, contudo, diminui com o processo

de deformação contínuo da amostra.

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33

Figura 2.10 – Resultados típicos de ensaios triaxiais convencionais drenados em

amostras pré-adensadas (Wood, 1991).

Na Figura 2.11 está plotada a trajetória de tensões do solo em confronto

com a projeção da linha de estado crítico do mesmo no espaço p’:q. Nota-se que o

corpo de prova ao ser cisalhado alcança pontos do espaço p’:q:υ f cujas

projeções no espaço p’:q se situam acima da linha de estados críticos.

Em analogia à Superfície de Roscoe, espera-se que somente o tamanho de

tal superfície limite mude com mudanças de ν, não sua forma. Deste modo, é

possível utilizar o conceito de tensão equivalente para escalar tensões e deste

modo a permitir mudanças em ν. O referido método de escalar tensões foi

adotado pela primeira vez por Hvorslev.

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34

Figura 2.11 – Resultados em termos de trajetórias de tensões de um ensaio triaxial

convencional drenado (Wood, 1991).

A Figura 2.12 representa uma série de ensaios triaxiais realizados por Parry

(1960) em argilas pré-adensadas. Nota-se que os dados dos testes drenados e não

drenados se situam em uma única linha no espaço q/p’e, p’/p’e. Esta linha é

limitada em seu lado direito pela interseção com o ponto que representa a linha de

estados críticos, situado no topo da superfície de Roscoe. Considerando que o solo

não apresenta resistência à tração, o maior valor de q/p’ que poderá ser observado

deverá corresponder a σ3 igual a zero. Então, para este triaxial convencional a

localização dos pontos de ruptura pode ser idealizada como aquela correspondente

à linha AB, da Figura 2.13.

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35

Figura 2.12 – Ensaios Triaxiais em argilas pré-adensadas (Parry, 1960).

Figura 2.13 – Superfície de Hvorslev (reta AB) e de Roscoe (linha BC) em conjunto com

as linhas de estado críticos (ponto B) e alinha de compressão isotrópica (ponto C)

(Parry, 1960).

O estado úmido (normalmente adensado) se situa abaixo da superfície de

Roscoe ou do estado limite, enquanto que o estado seco (pré-adensado) se situa

abaixo da superfície de Hvorslev. O material pode então apresentar-se em

qualquer estado situado abaixo ou sobre a superfície de estado crítico.

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36

Figura 2.14 – Superfície de Roscoe e Hvorslev (Wood, 1991).

2.5. Equipamentos Triaxiais

Diversos equipamentos triaxiais têm sido desenvolvidos nas últimas

décadas, com os mais sofisticados sistemas de controle e processamento de dados.

Entretanto, a concepção não difere muito da proposta por Bishop e Henkel na

década de 60. Basicamente a diferença está na tecnologia empregada no tocante à

automação dos ensaios. Estas alterações estão relacionadas aos sistemas de

controle de aplicação de pressões, às instrumentações e à utilização de

microcomputadores para servo controle.

Na literatura é possível encontrarem descritos vários equipamentos triaxiais.

Dentro dos que mais se destacam estão os desenvolvidos por: Andresen (1957);

Bishop & Wesley (1975); Berre (1982); Menzies (1988); Romero et al. (1997);

Wheeler & Sivakumar (1993); Tibana (1997); Bica (2004).

A Tabela 2.2 apresenta as características dos equipamentos desenvolvidos

pelos autores supracitados.

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37

Tabela 2.2 – Revisão dos Equipamentos Triaxiais Desenvolvidos.

Autor Tipo de Controle Servo Controlado

Condição de Saturação

Andresen (1957) Deformação Não Saturado

Bishop & Wesley (1975) Tensão Não Saturado

Berre (1982) Deformação Não Saturado

Menzies (1988) Tensão Parcialmente Saturado

Romero et al. (1977) Tensão Sim Não Saturado

Wheeler & Sivakumar (1992) Tensão Sim Não Saturado

Tibana (1997) Tensão Sim Saturado

Bica (2004) Tensão Sim Não Saturado

O equipamento desenvolvido na presente dissertação, como poderá ser

observado com mais detalhes no Capítulo 7, utiliza-se de vários conceitos que

podem ser observados nos equipamentos concebidos pelos autores anteriormente

citados (Tabela 2.2).

A célula triaxial utilizada é do tipo Bishop & Wesley. No entanto,

modificações foram necessárias para que o equipamento atende-se a realização de

ensaios na condição não saturada. Para tanto, os equipamentos desenvolvidos por

Romero et. al. (1977), Wheeler & Sivakumar (1992), Bica (2004) dentre outros

foram observados com o intuito de colaborarem na concepção do projeto.

O equipamento estudado que mais se assemelha ao desenvolvido é o de

Wheeler & Sivakumar (1992). O qual caracteriza-se por ser um equipamento

triaxial que possibilita o controle da trajetória de tensões e da sucção para ensaios

em amostras compactadas (Figura 2.15). Neste equipamento, a sucção é

controlada através de uma pressão de água aplicada à base do corpo de prova, por

meio de uma pedra porosa de alta pressão de borbulhamento, e de uma pressão de

ar comprimido aplicada ao topo do corpo de prova através de uma pedra porosa

convencional. A pressão confinante, a pressão de água e a pressão de ar são

controladas por um microcomputador através do controle de motores de passo

conectados a reguladores de pressão de ar. Para a medição de variação

volumétrica do corpo de prova, este equipamento utiliza uma câmara triaxial de

DBD


38

parede duplas, sendo que na câmara interna está conectado um transdutor de

variação volumétrica do tipo Imperial College (de Campos, 1984), que determina

a variação volumétrica total do corpo de prova. Outro transdutor de variação

volumétrica mede a variação de volume da câmara externa. No entanto, diferenças

poderão ser observadas no sistema de medição de variação de volume do corpo de

prova.

Figura 2.15 – Esquema do equipamento de ensaios triaxiais para solos não saturados

(Wheeler & Sivakumar, 1992).

2.6. Medição de Deformações Locais

Segundo Burland (1989), as deformações do solo em obras geotécnicas são

geralmente inferiores a 5*10-3, excetuando-se certas obras em areias fofas e

argilas moles. Daí a grande importância das medidas de deformação axial em um

ensaio triaxial, menores do que esta ordem de grandeza, possibilitando a avaliação

mais precisa dos parâmetros de deformabilidade de modelos constitutivos.

Diversos modelos de transdutores de deslocamento para medição local de

deformações têm sido desenvolvidos visando medir deformação axial e

deformação radial. Transdutores locais de deformação axial são, normalmente,

instalados aos pares, em posições diametralmente opostas, fixados diretamente ao

corpo de prova ou colados na membrana. Para minimizar a influência das

DBD


39

restrições de deformação devidas ao atrito entre pedra-porosa/cabeçote, estes

transdutores dever ser instalados no trecho médio do corpo de prova (Clayton e

Khatrush, 1986).

Dentre os principais tipos de transdutores de deslocamento axial referidos na

literatura estão relacionados: LVDT submersível (Costa e Filho, 1985); eletronível

(Burland e Symes, 1982); tipo pêndulo com extensômetros elétricos de resistência

(Ackerly et al, 1987); tipo fita metálica com extensômetros de resistência (Goto et

al, 1991) e tipo sensor de efeito hall (Clayton e Khatrush, 1986).

Os transdutores de deslocamento axial utilizados na presente dissertação são

eletroníveis do tipo Imperial College. Seu funcionamento está baseado em

sensores sensíveis a alterações de inclinação, os quais através de uma calibração

fornecem a variação de altura do corpo de prova.

A Figura 2.15 apresenta o eletronível utilizado na presente dissertação.

Figura 2.16 – Eletronível tipo Imperial College desenvolvido na PUC-Rio.

DBD


3 Características da Área de Estudo

Este Capítulo é destinado a apresentar a região no que competem à

localização da área de estudo, características de clima, geoambientais,

geomorfológicas, vegetação, geologia e solos.

3.1. Localização

O perfil estudado está inserido no Parque Nacional Dois Irmãos, sob as

coordenadas 22°59’21,39’’ Sul e 43°13’50,49” Oeste, localizado no bairro do

Leblon, acima da encosta do Mirante do Leblon e da Av. Niemeyer, a sudeste do

município do Rio de Janeiro. O Parque pertence à Serra da Carioca que,

juntamente com a Serra da Tijuca, compõem o maciço da Tijuca.

Segue indicado na Figura 3.1 o local de estudo bem como pontos de fácil

identificação para auxílio na sua localização.

Figura 3.1 – Imagem de Satélite (Fonte Google Earth).

DBD


41

O georreferenciamento foi realizado posteriormente às amostragens, visto

que estes dados não encontravam-se mencionados nos trabalhos desenvolvidos

anteriormente. Como apresentado na Figura 3.2, a região de onde foram

amostrados os blocos encontra-se revegetada. Por se tratar de um parque de

preservação ambiental não houve a possibilidade de se retirar a vegetação para

expor o solo, porém é possível visualizar, na região em destaque, a sua feição e

cor.

Figura 3.2 – Área de Estudo (Georreferenciamento).

3.2. Clima

O clima é quente e úmido, com pouco ou nenhum déficit de água,

mesotérmico, com calor bem distribuído ao longo do ano. Apresentam isotermas

em torno de 25 C ou mais, com pluviosidade variando de 1700 a 1900 mm anuais.

Os ventos sopram predominantemente de SE, estando a área exposta aos efeitos

da circulação atmosférica do Oceano Atlântico. Segundo Köppen-Geiger a área se

GPS

Área de Amostragem

Detalhe

DBD


42

enquadra no tipo Af, (i.e. clima tropical com chuva o ano todo), de características

amenas devido à ventilação pela brisa marítima (Atlas Geográfico, 1974).

3.3. Geoambiental

Segundo classificação fornecida pelo Projeto Rio de Janeiro (DRN) o

Domínio ao qual a área pertence é o Geoambiental I – Faixa Litorânea. Este

corresponde ao mais extenso domínio geoambiental do estado do Rio de Janeiro,

estendendo-se ao longo da linha da costa, desde a Baixada de Sepetiba até a divisa

com o Estado do Espírito Santo. Trata-se, também, do domínio mais heterogêneo,

abrangendo desde aéreas inundáveis, tais como mangues, brejos e baixadas, até

alinhamentos serranos isolados e maciços montanhosos que podem atingir até

1.000m de altitude.

Dentro deste domínio a Unidade Geoambiental relacionada à região do

estudo é a descrita como Maciços Costeiros (15a). Corresponde a regiões com a

ocorrência de maciços montanhosos isolados nas baixadas litorâneas, sustentados

por granitos, ortognaisses migmatíticos, chamockitos e paragnaisses, com

vertentes convexas a côncavas e escarpas e topos de cristas alinhadas, aguçados

ou levemente arredondados.

São caracterizados por serem terrenos de alta declividade, com a

possibilidade de ocorrência de depósitos de tálus com baixa capacidade de carga,

e afloramentos de rocha. Apresentam alta suscetibilidade a processos de erosão e

movimentos de massa.

A Figura 3.3 apresenta o mapa Geoambiental com a localização do ponto

em estudo bem como a indicação de sua classificação. O mapa de origem

encontrava-se na escala de 1:500.000.

DBD


43

Figura 3.3 – Mapa Geoambiental.

3.4. Geomorfológico

O Escudo Atlântico ou Cinturão Orogênico do Atlântico, ou Cinturão de

Cisalhamento do Atlântico, representa uma das importantes feições geotectônicas

da fachada atlântica brasileira, estendendo-se de Santa Catarina até o norte da

Bahia. Compõe-se de diversas faixas de dobramento, dentre as quais destaca-se a

Faixa de Dobramentos Ribeira, que abrange todo o estado do Rio de Janeiro. Esse

cinturão constitui-se em um conjunto diversificado de rochas graníticas e

gnáissicas, submetidas a diversos eventos orogenéticos ao longo do Pré-

Cambriano (Almeida et al., 1976; Heilbron et al., 1995).

DBD


44

A área de estudo esta inserida na Unidade Morfoescultural Maciços

Costeiros e Interiores, a qual compreende um conjunto de maciços montanhosos

relativamente alinhados sob direção WSW-ENE, desde o Maciço da Juatinga ao

maciço da Região dos Lagos, estando situados em meio às baías e baixadas

litorâneas. Segundo Asmus & Ferrari (1978), os maciços costeiros, como os da

Tijuca e da Pedra Branca, consistem em blocos soerguidos durante o Cenozóico,

paralelamente ao front escarpado das cadeias montanhosas das serras do Mar e da

Mantiqueira. Conforme Almeida & Carneiro (1998), os maciços costeiros são

remanescentes de uma antiga borda meridional do graben da Guanabara, outrora

inserida no Planalto Atlântico (no Paleoceno) e que foi intensamente erodida pelo

recuo da escarpa da Serra do Mar, originada junto à Falha de Santos.

As unidades descritas a seguir são definidas pelo sistema de relevo Maciços

Costeiros e Interiores (251). Apenas os maciços de menor porte são definidos

como Alinhamentos Serranos Isolados (223). Suas vertentes íngremes, por vezes

rochosas, são freqüentemente recobertas por depósitos de tálus e colúvios e

atingem diretamente a linha de costa por meio de pontões rochosos ou as baixadas

fluviomarinhas (122, 123) e fluviolagunares (124) em abruptas rupturas de

declive. Os gradientes são muito elevados e os topos são aguçados e arredondados

(pontões rochosos do tipo “pão-de açúcar”) ou em cristas alinhadas. Apresentam

densidades de drenagem altas a muito altas. O padrão de drenagem é, geralmente,

dendrítico e centrífugo, podendo ser treliça. Apesar dessas unidades apresentarem

um alto potencial de vulnerabilidade a eventos de erosão e movimentos de massa,

esses eventos geralmente não são expressivos, devido à preservação da área com a

manutenção da cobertura florestal existente.

DBD


45

Figura 3.4 – Mapa Geomorfológico.

3.5. Vegetação

A vegetação original era composta por floresta subperenifólia e

subcaducifólia, nos maciços da Pedra Branca, Tijuca e da Região dos Lagos,

mantendo, em grande parte, a mata preservada. Porém na região de estudo,

segundo o Projeto RADAMBRASIL (1983), a floresta foi substituída pela

vegetação secundária devido à ação antrópica. Hoje encontra-se recoberta por

gramíneas, devido à ocupação urbana de média intensidade observada no local.

DBD


46

Figura 3.5 – Vegetação Parque Nacional Dois Irmãos.

3.6. Geologia

A área de estudo esta inserida, como assinalado da Figura 3.6, na unidade

estratigráfica São Fidélis (MNps) do Complexo Paraíba do Sul o qual pertence à

formação geológica Meso/Neoproterozóica.

A unidade São Fidelis representa a maior parte da área de ocorrência do

Complexo do Paraíba Sul, sendo constituída essencialmente por metassedimentos

detríticos, pelito-grauvaqueanos: granada-biotita gnaisses quartzo-feldspáticos

com ocorrência generalizada de bolsões e veios de leucossomas graníticos

derivados de fusão parcial in situ e injeções. Variedades portadoras cordierita e

sillimanita (kinzitos), comumente apresentando horizontes de xistos grafitosos,

exibem contatos transicionais com os granada-biotita gnaises. De ocorrência mais

restrita, por vezes são observadas intercalações de quartzitos (qz), rochas

metacarbonáticas e calcissilicáticas (ca), além de corpos de anfibolitos e

concentrações manganesíferas. Em domínios menos deformados podem ser

percebidas localmente estruturas de ressedimentação, decorrentes de fluxos

turbidíticos (metaturbiditos).

Apresenta-se na Figura 3.7 o mapa geológico simplificado da região Sul do

Município do Rio de Janeiro. A área de estudo esta indicada pelo círculo

tracejado.

Área de Estudo

DBD


47

Figura 3.6 – Mapa Geológico Simplificado da Região Sul do Município do

Rio de Janeiro

Figu

ra 3

.6 –

Map

a G

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Sul

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.

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udo

DBD


3.7. Solos

Segundo classificação adotada pelo DRN, baseada nas definições da

Embrapa Solos (1988), a região encontra-se inserida numa área com

predominância da ocorrência de solo Podozólico Vermelho-Amarelo. Sua

correspondência no atual Sistema Brasileiro de Classificação de Solos (Embrapa,

1999) segue como Argilossolo Vermelho-Amarelo Distrófico.

Este solo apresenta grande expressão espacial no Estado, em relevo que

varia de suave ondulado a montanhoso, sob vegetação original de floresta

subcaducifólia ou subperenifólia, e mais raramente caducifólia, como nas

proximidades de São João do Paraíso. É comum a presença de solos com

características intermediários com Latossolos, com os quais se encontram

freqüentemente associados. Nessas áreas apresentam, geralmente, caráter

distrófico ou álico e perfis bastante espessos. Quando eutróficos tendem a ser

mais rasos. São predominantemente cauliníticos, com argila de baixa atividade,

geralmente bem drenados, de textura média/argilosa ou média/muito argilosa.

A classificação adotada faz referencia à associação de três classes de solos.

No caso do solo estudado fez-se a associação dentre a classe Podozólico

Vermelho-Amarelo álico, Podozólico vermelho amarelo TB eutrófico raso, ambos

no horizonte A moderado apresentando textura médio-argilosa com a classe de

solos litólicos indiscriminados face substrato de rochas gnáissicas ácidas, e com

afloramentos de rochas.

DBD


49

Figura 3.7 – Mapa de Solos.

DBD


4 Ensaios Realizados e Metodologias Empregadas

Na presente dissertação foi desenvolvida uma série de ensaios geotécnicos

com o intuito de caracterizar as propriedades físicas e o comportamento mecânico

de um solo residual de biotita-gnaisse. Para tanto foi desenvolvida uma seqüência

de ensaios. Primeiramente foi realizada a caracterização física e mineralógica do

material compreendendo a determinação das propriedades índices, microscopia

óptica, difração de Raio-X, curva característica de sucção, porosimetria de

mercúrio, microscopia digital de varredura e ensaios triaxiais.

4.1. Ensaios de Caracterização

4.1.1. Caracterização Física

Os procedimentos para os ensaios de caracterização foram desenvolvidos

segundo as recomendações da Associação Brasileira de Normas Técnicas

(ABNT):

• NBR 6457/1986 – Amostra de Solos – Preparação de compactação e

Caracterização;

• NBR 6457/1986 – Teor de Umidade Natural;

• NBR 6508/1984 – Massa específica Real dos Grãos;

• NBR 6459/1984 – Solo – Determinação do Limite de Liquidez;

• NBR 7180/1984 – Solo – Determinação do Limite de Plasticidade;

• NBR 7181/1984 – Solo – Análise Granulométrica.

A partir dos ensaios de limites de consistência e distribuição granulométrica,

foram também determinados, os seguintes índices físicos:

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51

Índice de plasticidade (IP,%), obtido pela diferença entre o limite de

liquidez (LL,%) e o limite de plasticidade (LP%); Índice de atividade das argilas

(Ia), determinado segundo proposta de Skempton, como:

mIPIaμ2% <

= eq. 4.1

% < 2 mμ = fração argila

Classificação segundo a fração argila presente no solo:

• Ia < 0,75 ⇒ inativas

• 1,25 > Ia > 0,75 ⇒ atividade normal

• Ia > 1,25 ⇒ ativa

Com as amostras não amolgadas, obteve-se o peso específico dos grãos sγ ,

peso específico natural natγ , peso específico seco dγ , índice de vazios (e),

porosidade (n,%) e grau de saturação (S,%).

4.1.2. Caracterização Mineralógica

4.1.2.1. Microscopia Ótica

A microscopia ótica consiste na preparação de lâminas petrográficas, onde

as amostras de solo são previamente secas a uma temperatura de 100ºC, seguindo-

se um processo lento de impregnação com resina epóxi misturada com um

corante. A resina ocupa os vazios do solo (poros), e o corante auxilia na

identificação destes vazios. Após este procedimento é colada uma lâmina de vidro

ao material, e o mesmo é polido até se conseguir uma lâmina com 0,3mm de

espessura. Estas lâminas são observadas num microscópio ótico, com aumentos de

48, 96, 144 e 192 vezes. A passagem de luz por essas lâminas identifica o tipo de

mineral, o tipo de cimentação e outras características que serão descritas a seguir.

Foi confeccionada 1 lâmina petrográfica para a microscopia ótica. A

descrição das feições micro-estruturais do solo estudado na presente dissertação,

com base tanto na microscopia ótica, como na microscopia digital, mostrou-se

muito importante para a interpretação dos resultados dos ensaios mecânicos

apresentados nos próximos capítulos.

DBD


52

4.1.2.2. Difração de Raio-X

A identificação dos argilo-minerais constituintes dos solos é de extrema

importância para o entendimento de seu comportamento. Um dos ensaios que

auxilia a identificação da composição mineralógica da fração silte/argila é a

Difração de Raio-X. Isto é possível porque na maior parte dos sólidos (i.e.

cristais), os átomos se ordenam em planos cristalinos separados entre si por

distâncias da mesma ordem de grandeza dos comprimentos de onda dos Raios-X.

Ao incidir um feixe de Raios-X em um cristal, o mesmo interage com os átomos

presentes, originando o fenômeno de difração. A difração de Raios-X ocorre

segundo a Lei de Bragg a qual estabelece a relação entre o ângulo de difração e a

distância entre os planos que a originam (característicos para cada fase cristalina)

conforme a equação 4.2.

θλ dsenn 2= eq. 4.2

Onde:

n: Número inteiro

λ: Comprimento de ondas dos Raios-X incidentes

d: Distância interplanar

θ: Ângulo de Difração

Cada argilo-mineral gera um conjunto característico de reflexões segundo

ângulos θ, que podem ser convertidos nas distâncias interplanares formadas pelas

estruturas cristalinas.

Os difratogramas obtidos para o presente trabalho foram determinados no

Laboratório de Difração de Raios-X (LDRX) do Departamento de Ciências dos

Materiais e Metalurgia (DCMM) da Pontifícia Universidade Católica do Rio de

Janeiro (PUC-Rio).

O equipamento utilizado foi o Difratômetro SIEMENS, modelo D 5000,

com dois goniômetros. A interpretação dos resultados é executada por meio do

software TOPAS da Bruker AXS. (Figura 4.1).

DBD


53

Figura 4.1 – Difratômetro Siemens D 5000 e Interface do Software TOPAS da Bruker

AXS.

4.1.3. Características Não Saturadas

4.1.3.1. Curva de Retenção de Umidade

Umas das técnicas empregadas, na presente pesquisa, para a determinação

da curva de retenção de umidade foi a do papel-filtro. Este método baseia-se na

hipótese de que o papel-filtro alcança equilíbrio termo dinâmico com relação ao

fluxo de umidade que decorre em um solo com um valor qualquer de sucção.

Quando o papel-filtro é colocado em contato direto com o solo, instaura-se um

fluxo d’água do solo para o papel, até que se atinja o equilíbrio. Quando o papel-

filtro é posto em contato direto (método de adsorção capilar), mede-se sucção

matricial. Em não havendo contacto direto (método de absorção de vapor), mede-

se sucção total. O método do papel-filtro mede sucção de maneira indireta, por

meio de curvas de calibração. (e.g. Chandler e Gutierrez, 1986).

Os procedimentos adotados seguem o proposto por de Campos et. al. (1992)

e Marinho (1994). De maneira resumida o método consistiu em posicionar um

disco de papel-filtro contra a amostra de solo em estudo, selando o conjunto para

evitar a evaporação. O papel-filtro umedeceu até apresentar o conteúdo d’água

Amostra

Goniômetros

DBD


54

associado à sucção da amostra. A medição da umidade do papel-filtro permitiu a

obtenção do valor de sucção procurado, pelo emprego de uma correlação

previamente estabelecida (a curva de calibração do papel-filtro).

Para a realização do ensaio foram moldados corpos de prova de solo

utilizando anéis de alumínio com diâmetro interno de 4.75 cm por 2 cm de altura.

Após a moldagem era determinada a umidade do solo. Com os valores de

umidade desejada em cada anel, definidas em função da disposição dos pontos na

curva de retenção, as umidades dos anéis eram ajustadas (umedecimento ou

secagem). Após a equalização da umidade os papéis-filtro eram dispostos em

contato com a base e topo das amostras. Cada anel era cuidadosamente envolto

em filme de PVC e disposto em caixa de isopor. Após aguardar o tempo

recomendado para estabilização da sucção matricial os papéis, devidamente

identificados (topo e base), tinham sua massa mensurada (massa úmida). Eram

então levados à estufa para secagem e, logo após, determinada a massa (massa

seca). De posse destes dados e juntamente com a equação de calibração do papel-

filtro foi possível determinar a curva de retenção de umidade. O papel-filtro

utilizado foi o da marca Whatman n° 42.

4.1.3.2. Porosimetria de Mercúrio

Os ensaios de Porosimetria ao Mercúrio foram realizados no

Micromeritics PoreSizer 9320 do Laboratório da Fundação de Apoio à Física e à

Química da Universidade de São Carlos (USP/São Carlos).

Na geotecnia existem vários trabalhos utilizando os dados de ensaios de

porosimetria na previsão das propriedades hidráulicas dos solos, entre eles pode

ser citados os trabalhos de Garcia-Bengachea et al. (1979) com permeabilidade

não saturada, Prapaharan et al.(1985), Romero et al. (1999), Aung et al. (2001) e

Simms & Yanful (2002) na determinação da curva de retenção de umidade, entre

outros.

A técnica de porosimetria ao mercúrio é sem dúvida a técnica mais

importante para a determinação de porosidade de materiais. Através deste ensaio é

possível a determinação da distribuição de tamanho de poros, do volume total de

DBD


55

poros e da área específica do material bem como estimar através de correlações a

curva de retenção de umidade.

A técnica se baseia no fato de que o mercúrio se comporta como um fluído

não-molhante em relação à maior parte das substâncias. Por conseqüência, não

penetra espontaneamente em pequenos furos destes materiais a menos que se

aplique uma pressão sobre ele.

Se uma amostra de um sólido poroso é encerrada num recipiente dotado de

um capilar, sendo feito o vácuo sobre a mesma e sendo preenchido o recipiente e

o capilar com mercúrio, ao se aumentar a pressão sobre o líquido este penetrará

nos poros da amostra reduzindo seu nível no capilar.

Através do registro da redução do nível de mercúrio no capilar, juntamente

com a pressão aplicada, se obtém a curva porosimétrica.

Basicamente o ensaio de porosimetria ao mercúrio fornece duas curvas, a

curva de volume acumulado e um histograma de freqüência contínuo dos diversos

diâmetros de poros constituintes da estrutura do solo. Com a primeira é possível

obter-se, para um determinado diâmetro de poro, as porcentagens, em relação ao

volume de vazios total da amostra, dos poros de diâmetro maior ou menor do que

o considerado. Já a segunda curva, [dv/d(logD)] fornece os intervalos de

diâmetros de poros por classe.

Através de relações propostas por Aung et al. (2001), foi possível se

determinar de forma indireta à curva de retenção de umidade.

A teoria do método se baseia nas considerações de que os poros podem ser

tratados como sendo canais de fluxo cilíndricos.

Segundo Fredlund e Raharadjo (1993) a equação de Kelvin pode ser

utilizada para se determinar o diâmetro de poros equivalente, D, relacionado à

sucção aplicada.

A equação de Kelvin é dada por:

DTP αcos4

=Δ

eq. 4.3

Onde:

PΔ = diferença de pressão entre duas interfaces;

T = Tensão superficial do fluido;

α = Angulo de contato entre o fluido e o solo.

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56

Assumindo que a diferença de pressão, PΔ , entre a água e o ar é a sucção

(ua-uw) e que o ângulo de contato na interface entre ar-água e as partículas de

solo é zero, o diâmetro equivalente de poro correspondente à interface ar-água é

dado por:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=−

DTsuwua 4)( eq. 4.4

Onde:

Ts = tensão superficial (72,75 x 10-3 N/m a 20oC)

No caso da porosimetria de mercúrio utiliza-se a equação 4.5 de

Washbum, devido ao fato do mercúrio possuir características não molhantes. O

ângulo de contato entre mercúrio e as partículas de solo (i.e. θw) pode variar entre

100° e 170°.

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

DTp nwnw θcos4

eq. 4.5

Onde :

Tnw = tensão superficial (485x10-3N/m);

θnw= valor adotado de 130o.

Assumindo que com a injeção de mercúrio a água seja expulsa da estrutura

do solo e o mesmo passe a ocupar o mesmo diâmetro de poros chega-se à

equação:

ppTTuu

nwnw

wwwa 233,0

coscos)( =⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=−

θθ eq. 4.6

A partir desta equação é possível calcular a sucção equivalente a cada

pressão de mercúrio aplicada. O grau de saturação equivalente pode ser calculado

como:

nwSrSr −=1

0/nnSrnw= eq. 4.7

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57

4.1.3.3. Microscopia Digital de Varredura (MDV)

As análises e captura das imagens da lâmina petrográfica foram realizadas

no Laboratório de Microscopia Digital (LMD) pertencente ao Departamento de

Ciências dos Materiais e Metarlugia (DCMM), localizado na Pontifícia

Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio). O equipamento utilizado foi

um Microscópio Óptico Zeiss AxioPlan 2ie motorizado e controlado por software,

munido de uma Câmara Digital Axiocam HR - 3900 x 3090 pixels a qual através

do Software KS400 da Zeiss realiza o processamento e análise de imagens. Para o

controle do microscópio óptico é utilizado o Software AxioVision da Zeiss.

A quantificação dos vazios, do solo em estudo, foi determinada com o

auxílio da técnica de Processamento Digital de Imagem. Em princípio o

Processamento Digital de Imagens é uma técnica que se utiliza de operações

matemáticas para alterar os valores dos pixels de uma imagem digital,

modificando-a com o intuito de preparar a imagem para ser analisada através de

um software (Análise Digital de Imagens).

A Análise Digital de Imagens de solos consiste na extração e tratamento

de dados quantitativos provenientes de imagens digitais da lâmina petrográfica de

solo. Através deste método pode-se realizar medições mais rápidas, precisas e

acuradas, possibilitando ainda a realização de medidas impossíveis de serem

obtidas manualmente. Comumente, o termo Processamento Digital de Imagens é

usado referindo-se globalmente a ambas as técnicas, processamento e análise

digital. Isto é, de certo modo, justificável, já que geralmente as técnicas se

intercalam, podendo a etapa seguinte do processamento ser determinada por uma

etapa de análise.

Para a análise digital da imagem foi utilizado o software KS400 da Zeiss.

Este software realiza processamento e tratamento de imagem, sendo possível

através de seleções e inserções de filtros se determinarem os parâmetros de análise

(cores dos pixels) que irão identificar os vazios. A contagem dos pixels

referenciados como vazios (i.e. áreas em azul) relacionados à área total da lâmina

petrográfica, fornece uma indicação da porosidade do solo. Segundo Moncada

(2008), os resultados obtidos através da técnica de microscopia digital são úteis na

determinação da macro-porosidade, (i.e na determinação dos poros maiores) onde

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58

o corante utilizado na impregnação das laminas consegue uma boa impregnação.

Mais adiante no Capítulo 5, será realizada uma comparação e análise entre os

valores de porosidade obtidos através das diferentes técnicas.

Figura 4.2 – Microscópio Óptico Zeiss AxioPlan 2IE.

4.2. Ensaios Triaxiais

Neste item serão apresentados os equipamentos utilizados, com posterior

descrição dos procedimentos realizados para a execução dos ensaios triaxiais.

Serão descritas as propriedades das prensas triaxiais com deformação controlada e

tensão controlada, respectivamente, ressaltando as diferenças entre estes

equipamentos.

4.2.1. Prensa Triaxial com Deformação Controlada

Este equipamento pode ser dividido basicamente em uma célula triaxial

equipada por instrumentos ligados a uma aquisição de dados, onde através de

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59

válvulas e de uma prensa mecânica com velocidade constante as tensões dos

ensaios são impostas.

Trata-se de uma prensa triaxial da Wykeham Farrance modelo WF10074

com capacidade de 10.000 kg. A taxa de deslocamento máxima é de 50 a 0.05 mm

por minuto na faixa de utilização rápida e de 0.5 mm a 0.0005 mm por minuto na

faixa lenta.

A prensa utilizada não possui sistema de servo controle sendo necessária a

iteração do laboratorista no âmbito de controlar as pressões durante o ensaio.

A aquisição de dados é realizada pelo sistema Orion, o qual registra as

leituras dos instrumentos em função do tempo transcorrido. Posteriormente é

necessária a transformação das leituras realizadas da unidade básica de Vdc para

unidades de engenharia. Esta conversão é efetuada através de uma pré-calibração

dos instrumentos a qual fornece equações que podem ser facilmente programadas,

por exemplo, no Excel.

Uma visão geral do equipamento é mostrada na Figura 4.3.

Figura 4.3 – Prensa Triaxial de Deformação Controlada - Wykeham Farrance

WF100072.

Medidor de Variação de Volume

Sistema de Aplicação de

Pressão

DBD


60

Figura 4.4 – Sistema de Aquisição de Dados Orion.

4.2.1.1. Interface Ar/Água

A interface ar/água responsável pela aplicação de pressão confinante é a

própria célula Triaxial, onde através do não preenchimento total de água na

câmara, forma-se uma interface. Este procedimento foi adotado visando à

integridade da célula de carga, pois ocorreram danos em células anteriormente

utilizadas. Tais danos foram causados pela entrada de água, apesar destas serem

apresentadas pelo fabricante como submersíveis.

Seu funcionamento consiste na aplicação de pressão de ar na parte

superior da câmara triaxial, na parte não preenchida por água. Sendo assim esta

pressão é diretamente transmitida à água de confinamento e ao corpo de prova.

Alguns cuidados devem ser adotados para se utilizar a câmara triaxial

como interface. Pois esta prática ocasiona a dissolução de ar na água confinante,

este ar dissolvido em ensaios de longa duração tende a atravessar a membrana de

látex gerando a dessaturação do corpo de prova, comprometendo os resultados dos

ensaios. Entretanto, para verificar a ocorrência deste processo é necessário

observar o aparecimento de ar entre a membrana e o corpo de prova ao final do

ensaio, na etapa de desconfinamento do corpo de prova com as drenagens

DBD


61

fechadas. A ocorrência das bolhas de ar evidencia a dessaturação do corpo de

prova devido à dissolução de ar na água confinante que atravessou a membrana.

4.2.1.2. Medidor de Variação de Volume

Trata-se de um transdutor de variação volumétrica do tipo Imperial

College (de Campos, 1984). Onde a medição da variação de volume é realizada

através de uma interface composta por um recipiente cilíndrico dentro do qual se

encontra um conjunto de borrachas de vedação da Bellofram fixadas e vedadas

nas extremidades, formando assim duas câmaras (superior e inferior), com um

cilindro em PVC, de diâmetro ligeiramente inferior ao reservatório externo,

situado entre estas borrachas. Ela pode ser visualizada na Figura 4.3.

Seu funcionamento, é simples, consiste na aplicação de ar câmara inferior

formada pela borracha Bellofram a qual empurra o cilindro de PVC para cima

comprimindo assim a água contida na câmara superior. Todo e qualquer

deslocamento do cilindro de PVC é medido através de um LSCDT, o que

possibilita posteriormente calcular a variação de volume, visto que através do

deslocamento e do conhecimento da área da base do recipiente cilíndrico pode-se

encontrar o volume tanto de saída de água quanto de entrada no sistema.

A capacidade da câmara que contém água é de 300 ml, podendo suportar

pressões de ar de 9 Bar e com precisão de 0.01 ml.

Para o correto funcionamento a câmara superior que contém a água deve

estar completamente preenchida sem haver a existência de bolhas de ar. O sistema

deve ser estanque e pode ser calibrado com o auxílio de uma bureta graduada.

4.2.1.3. Câmara Triaxial

O objetivo primordial da câmara triaxial é garantir a aplicação das tensões

principais e de poro-pressão no corpo de prova. De preferência, ela ainda deve

permitir a medição interna da variação de altura e diâmetro da amostra, além de

seu volume. A câmara utilizada no presente trabalho tem paredes em acrílico (o

que possibilita a visualização do corpo de prova durante o ensaio), com dimensões

de 380 mm de altura, diâmetro de 270 mm e capacidade de pressão interna de 900

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62

kPa. Esta célula teve sua base adaptada para trabalhar com corpos de prova de

11/2”, pois originalmente era destinada a ensaios em corpos de prova de 4”. A

utilização desta câmara maior teve como motivação a necessidade de se possuir

um espaço maior entre o corpo de prova e a parede de acrílico, para que fosse

possível a instalação de medidores de deformação axial, tipo Imperial College.

Figura 4.5 – Câmara Triaxial.

A base da câmara triaxial, em duralumínio, possibilita através de uma série

de válvulas tipo esfera, o fluxo de água através do corpo de prova assim como o

fluxo de água até o transdutor de poro-pressão e de pressão confinante.

Por este equipamento possuir somente um transdutor, que servia tanto para

leituras de poro-pressão quanto de tensão confinante, foi necessária a utilização de

conexões que possibilitavam a comutação no momento das leituras. Esta

característica impôs uma maior dificuldade para a execução do ensaio. Porém em

se tratando de minimizar os erros provenientes de leituras realizadas com

equipamentos distintos, esta técnica se mostra mais eficiente.

A vedação da câmara é garantida por uma série de anéis O’rings que estão

dispostos tanto no orifício de passagem da haste da célula de carga, quanto na

ligação da base com a câmara.

Distância da Câmara

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63

4.2.1.4. Transdutor de Poro-Pressão e Tensão Confinante

A medição da poro-pressão foi realizada através de um transdutor de

pressão da Schaevitz modelo P723-0001 com capacidade de leitura na faixa de 0-

1035 kPa. Este equipamento se encontra ligado ao sistema de aquisição de dados

onde é possível acompanhar as leituras durante o ensaio.

O transdutor é conectado a base da câmara através de um dispositivo

confeccionado em acrílico, o qual possui um sistema para a drenagem de bolhas

de ar. Este dispositivo é de relevante importância visto que promove a retirada de

bolhas que ocasionariam erros nas leituras do equipamento.

4.2.1.5. Controlador de Pressão

O sistema de aplicação de pressão, como pode ser visto na Figura 4.3, é

constituído por válvulas de precisão ligadas à rede de ar comprimido do

laboratório que fornece uma pressão máxima na linha de 700 kPa. O controle é

realizado manualmente pelo operador da prensa. Este processo consiste na

regulagem da pressão via leituras fornecidas pelo transdutor.

O sistema possui três válvulas, sendo uma para aplicação de pressão de ar

no topo da câmara triaxial, o que confere a pressão confinante, outra para

aplicação da contrapressão e, a última, em se tratando de um ensaio de

permeabilidade, possibilita a aplicação de um gradiente hidráulico entre o topo e a

base do corpo de prova.

São válvulas reguladoras de pressão da Watson Smith que trabalham na

faixa de 10-820 kPa podendo alcançar a pressão máxima de 1030 kPa.

4.2.1.6. Prensa Triaxial Eletromecânica

Trata-se de uma prensa triaxial, de deformação controlada, da Wykeham

Farrance modelo WF10072 projetada para trabalhar como um carregamento axial

máximo de 10.000 Kg. Sua operação é manual via seletores em seu painel de

comando. A velocidade de deslocamento é ajustada de maneira analógica, não

havendo a necessidade de iteração com o sistema de engrenagens. Existe ainda a

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64

opção de se estabelecer limites de deslocamentos que param o funcionamento da

prensa, evitando assim acidentes que possam vir a danificar o equipamento.

4.2.2. Prensa Triaxial Tipo Bishop-Wesley com Tensão Controlada ou Deformação Controlada

O equipamento utilizado foi um triaxial tipo Bishop-Wesley desenvolvido

no Imperial College, Londres, que permite a realização de uma extensiva gama de

ensaios em diferentes trajetórias de tensões. Trata-se de um sistema servo

controlado.

Este equipamento triaxial pode ser descrito como sendo composto por uma

célula triaxial operada por um sistema de aplicação de pressões o qual é servo

controlado, de maneira conjunta, por um software e por uma aquisição de dados.

Na seqüência será abordada, de maneira semelhante ao item anterior, a descrição

do equipamento por partes.

Figura 4.6 – Equipamento Triaxial com Tensão Controlada (Imperial College).

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65

4.2.2.1. Interface Ar/Água

As interfaces de ar/água, utilizadas pela prensa Bishop Wesley do Imperial

College, são responsáveis pela conversão de pressão de ar em pressão de água,

conferindo não só a aplicação de tensão confinante e de poro-pressão, mas

também auxiliando na transmissão tensão desviadora. Sua faixa de pressões de

trabalho é análoga à da câmara triaxial podendo chegar ao máximo de 900 kPa .

Este limite é imposto pelas propriedades mecânicas do acrílico utilizado em seu

reservatório.

4.2.2.2. Medidor de Variação de Volume

O sistema de medição de variação de volume utilizado neste equipamento

segue o principio de funcionamento do já descrito medidor de variação de volume

da prensa Wykeham Farrance, apresentando um lay-out muito parecido. Sua

capacidade é de 50cm3 e pressão de trabalho limitada pelo sistema de aplicação

de pressão em 900 kPa. Possui um LSCT como instrumentação o que permite,

como já mencionado, a determinação da variação de volume.

4.2.2.3. Câmara triaxial

Da mesma forma que a câmara descrita anteriormente, suas paredes são

confeccionadas em acrílico, com dimensões de 260 mm de altura, diâmetro de 200

mm e capacidade de pressão interna de 900 kPa. Trata-se de uma peça original do

Imperial College, não havendo sido realizadas modificações. Trabalha com

corpos de prova de 1 1/2”. Em seu projeto foi levada em consideração a

necessidade de espaço entre a amostra e a parede interna de acrílico para que fosse

possível a utilização de medidores de deformação axial (tipo Imperial College)

fixados no corpo de prova.

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66

4.2.2.4. Transdutor de Poro-Pressão e Tensão Confinante

As leituras de poro-pressão são realizadas através de um transdutor de

pressão com capacidade de leitura na faixa de zero a 1500 kPa modelo PR-27

W/8763-15 do fabricante Keller . Já as leituras de tensão confiante são realizadas

por um transdutor similar com as mesmas características de funcionamento e

operação. Estes equipamentos encontram-se conectados ao sistema de aquisição

de dados, onde é possível acompanhar durante o ensaio as leituras em tempo real.

O transdutor de tensão confinante encontra-se ligado à célula triaxial

através de uma peça em duralumínio, que permite a comunicação da pressão

confinante com o transdutor e ainda via um dreno posicionado na parte superior

que possibilita a retirada de bolhas de ar da linha.

Já o transdutor que mede a poro-pressão é acoplado à base da câmara

através de dois tubos em aço inox conectados a um dispositivo confeccionado em

acrílico, o qual possui um sistema para a drenagem de bolhas. A utilização de

tubos de aço inox promove a minimização do efeito de dilatação da tubulação, o

que garante um tempo de resposta mais rápido ao conjunto.

A utilização de instrumentos distintos para medição de pressão pode gerar

a incerteza quanto a possíveis diferenças em suas leituras. Porém, neste

equipamento, por se tratar de uma prensa com servo controle seu software

(TRIAX 5) realiza a correspondência entre as leituras e a pressão aplicada. Isto é

possível, pois existe a opção de se calibrar todos os transdutores de uma só vez.

4.2.2.5. Controlador de Pressão

O conjunto de equipamentos responsáveis pelo controle de pressão é

constituído por 3 Box supridas por um compressor Kaeser linha Premium, que

confere uma pressão máxima na linha de 2000 kPa.

As assim chamadas Box contêm internamente um sistema formado por

uma válvula de precisão conectada a um motor de passo bem como uma

eletrônica para o processamento dos sinais de comando e controle do motor de

passo.

DBD


67

Cada Box de pressão é responsável pela aplicação de uma determinada

pressão podendo ser a tensão confinante, poro-pressão ou ainda de cisalhamento.

Esta característica de controle de tensão cisalhante bem como de tensão

confinante e poro-pressão é que permite com que este equipamento realize uma

ampla faixa de ensaios, em diferentes trajetórias de tensões.

Ressalta-se que podem ser realizados ensaios com controle de deformação,

pois este equipamento possui um dispositivo chamado de CRSP que, através do

deslocamento constante de seu pistão (sem fim), movido por um motor de passo,

faz com que a pressa se desloque numa taxa fixa de deslocamento.

4.2.2.6. Célula Triaxial Tipo Bishop-Wesley

Trata-se de uma prensa triaxial de tensão controlada do Imperial College

tipo Bishop e Wesley (1975). Sua operação é totalmente automatizada através de

um software suprido de dados de input fornecidos pelo laboratorista bem como de

dados provenientes da instrumentação. As tensões de ensaio são ajustadas de

maneira eletromecânica seguindo os valores definidos pelo software em

atendimento à programação imposta.

O topo da célula e a célula em acrílico são similares aos dos ensaios

triaxiais convencionais. O pedestal contém conexões que permitem a drenagem do

corpo de prova bem como a medição de poro-pressão e é conectado a RAM. A

RAM move-se na vertical, guiada em um movimento linear. Dois Belloframs de

borracha são utilizados para a vedação. O posicionado no topo permite a vedação

do fluído da célula triaxial e o inferior é responsável pela contenção do fluido da

câmara inferior.

O carregamento axial é aplicado através da pressurização da câmara

inferior. O carregamento axial é medido por uma célula de carga submersível

contida no interior da célula triaxial. Duas hastes de extensão são conectadas no

pistão da RAM e ao LSCDT auxiliando na medição dos deslocamentos axiais. As

pressões, confinante e de poro pressão, são medidas por transdutores. O sistema

de contrapressão, se necessário, pode ser conectado à base da amostra. A medição

de variação de volume pode ser realizada pelo medidor de variação de volume

conectado na linha de contrapressão.

DBD


68

O sistema é caracterizado por ser muito versátil, e auto-suficiente, não

necessitando de aparato para carregamento. Pode ser utilizado para a realização de

vários tipos de ensaios, e pode aplicar extensão axial assim como compressão.

Detalhes do funcionamento são dados por Bishop e Wesley (1975).

Figura 4.7 – Prensa Pneumática (Imperial College).

4.2.3. Eletroníveis Tipo Imperial College

Para a instrumentação e medida da deformação axial interna na prensa com

deformação controlada foram desenvolvidos um par de eletroníveis.

Como pode ser observado na Figura 4.8, é composto por uma ampola

encapsulada em um recipiente metálico ligado a um par de “pernas”. Estas pernas

transmitem ao sensor as deformações sofridas pelo corpo de prova. As

deformações são calibradas em função da inclinação do eletronível.

O procedimento de instalação está descrito no item 4.2.4.

DBD


69

Figura 4.8 – Eletroníveis (Imperial College).

4.2.4. Procedimentos Iniciais e Materiais Utilizados

O procedimento para realização dos ensaios triaxiais consistiu nas seguintes

etapas:

• Confecção do corpo de prova;

• Colocação do mesmo no pedestal do equipamento Triaxial;

• Instalação dos eletroníveis;

• Processo de saturação;

• Adensamento;

• Cisalhamento;

Os procedimentos adotados em todos os ensaios triaxiais até o estágio de

cisalhamento são semelhantes. Consistem em moldar o corpo de prova com as

dimensões de 1 ½” (38mm) por 3” (76mm) com respectiva determinação de suas

características como umidade e massa. Posteriormente, antes da disposição do

corpo de prova no equipamento triaxial, as linhas eram saturadas as interfaces

ar/água e o transdutor de variação de volume eram completados.

Com estas etapas realizadas as pedras porosas e os papéis filtro eram

dispostos respectivamente no pedestal e no topo do corpo de prova.

Posteriormente o corpo de prova era colocado no pedestal a membrana de látex

juntamente com os o’rings eram instalados.

DBD


70

O próximo procedimento adotado era o de fixar os eletroníveis, medidores

de deformação axial interna, na membrana. Para tanto foi utilizado o adesivo

instantâneo 495 da Loctite, próprio para fixação de metal em superfícies flexíveis.

A partir deste passo a câmara triaxial era fechada e preenchida com água.

Na seqüência era dado o início do processo de saturação do corpo de prova. Foi

adotado em todos os ensaios triaxiais o método da contrapressão, com tensão

efetiva de 10 kPa. Para a saturação, com dissolução do ar na água, foi preciso

aplicar estágios que chegaram a ter como pressão confinante 700 kPa. No

equipamento Triaxial servo controlado o processo de saturação apresentou um

velocidade maior que o operado manualmente. Isso devido ao fato da saturação

ocorrer seguindo uma rampa programada. O controle realizado fazia com que a

tensão efetiva ficasse fixada em 10 kPa enquanto o aumento das tensões

confinantes e de poro-pressão ocorriam.

Com a medição do parâmetro B de Skempton estando entre 0,95 e 1,0 era

iniciado o processo de adensamento. Na seqüência a amostra era cisalhada.

4.2.4.1. Confecção dos Corpos de Prova

Os corpos de provas utilizados na presente pesquisa foram confeccionados a

partir de blocos de solo amostrados no trabalho desenvolvido por Oliveira em

1999. Os referidos blocos encontravam-se desde então acondicionados na câmara

úmida do Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio, devidamente

lacrados com filme de PVC, papel alumínio, talagarça e parafina., como

representado na Figura 4.9.

DBD


71

Figura 4.9 – Abertura de Bloco para Moldagem.

4.2.4.1.1. Corpos de Prova Não Amolgados

Com o intuito de facilitar a moldagem, os blocos não amolgados de cerca

de 30 cm de arestas, extraídos em campo, foram fracionados em outros blocos

menores, com dimensões aproximadas de 15 cm x 5 cm x 5cm. Estes blocos

menores foram dispostos dentro de uma caixa de isopor vedada. O material foi

todo armazenado na câmara úmida do laboratório.

Conforme pode ser observado na Figura 4.10, os prismas oriundos do

fracionamento do bloco maior, eram cuidadosamente instalados sobre um torno

manual, específico para a moldagem de corpos de prova cilíndricos, com 1 ½” de

diâmetro.

Figura 4.10 – Preparação de Corpo de Prova.

DBD


72

Após a moldagem do cilindro de solo, este corpo de prova era disposto em

um berço metálico com exatamente 3” de comprimento onde suas faces

transversais eram desbastadas, tornando-as paralelas entre si, resultando em

amostras com dimensões similares.

Após este procedimento de moldagem, os corpos de prova tinham sua

massa aferida para determinação do teor de umidade final do ensaio triaxial assim

como propriedades físicas como o índice de vazios. Pelo fato das dimensões

terem sido condicionadas ao berço, tanto na altura quanto no diâmetro, não houve

a necessidade das dimensões serem aferidas através do paquímetro.

4.2.4.1.2. Corpos de Prova Amolgados

Para os ensaios com material amolgado, foi adotando o procedimento de

destorroar corpos de prova confeccionados utilizando-se o torno manual, assim

como os corpos de prova não amolgados. O teor de umidade natural utilizado foi

determinado durante a moldagem dos corpos de prova não amolgados. Pequenas

correções do teor de umidade foram realizadas quando o material destorroado

apresentava uma umidade natural inferior a 10%.

Para a moldagem dos corpos de prova foi utilizado um molde tripartido,

onde o solo foi compactado estaticamente, em 4 camadas iguais. O índice de

vazios aos quais os corpos de prova foram moldados foi similar ao dos corpos de

prova não amolgados.

A determinação das dimensões dos corpos de prova seguiu a metodologia

citada no item anterior.

4.2.4.2. Membranas Papel Filtro e Pedras Porosas

As membranas utilizadas eram de látex, fornecidas pela Wykeham

Farrance. Elas foram testadas para a verificação de ausência de furos antes da

execução de todos os ensaios. O teste consistiu em vedar suas extremidades e

aplicar ar dentro da membrana, que posteriormente era imersa em água para a

verificação da existência de bolhas de ar.

DBD


73

O papel filtro utilizado era da marca Whatman nº 54. Os mesmos foram

utilizados no topo e base do corpo de prova.

As pedras porosas eram devidamente saturadas e mantidas em água

destilada até a montagem do ensaio. Ao final de todos os ensaios elas eram

levadas a um equipamento de ultrasom e mantidas “vibrando” por 30 minutos,

para retirar eventuais obstruções de seus poros.

4.2.4.3. Saturação das Linhas do Equipamento Triaxial

Todas as linhas da base e do top cap eram saturadas antes de se colocar o

corpo de prova na prensa. Este processo consistia em percolar água através das

tubulações do equipamento triaxial visando à retirada de qualquer bolha de ar que

pudesse estar presente nas linhas.

Para a aferição da saturação do sistema de medição de variação de volume

era aplicada uma pressão de ar na base do mesmo com suas saídas de água

fechadas. Em princípio o aumento da pressão não deve gerar variações de volume.

Logo, sendo notado algum indicativo de existência de ar no sistema (i.e. variação

de volume) o processo de saturação era reinicializado.

4.2.5. Metodologia de Cálculo dos Ensaios

4.2.5.1. Ensaio Triaxial com Deformação Controlada.

As leituras e o armazenamento dos dados foram realizados através do

sistema de aquisição Orion. Os dados provenientes do Orion foram, via software

ORIONT, tratados e disponibilizados em formato de arquivo. Este processamento

dos dados tornou possível a manipulação dos dados através de uma planilha

eletrônica do tipo Excel, onde com o auxílio das equações de calibração dos

instrumentos, as leituras foram transformadas de Vdc para unidades de

engenharia.

Após este processo, uma analise foi realizada na leitura dos instrumentos,

para se determinar os valores inicias (L0) em cada etapa do ensaio, possibilitando

DBD


74

assim a correção dos dados (e.g. encosto da célula de carga com a correspondente

desconsideração da deformação axial até este momento).

4.2.5.2. Ensaio Triaxial com Tensão Controlada

Os dados provenientes dos ensaios realizados com o equipamento triaxial

tipo Imperial College foram processados utilizando o software TRIAX5 o qual os

converte automaticamente em dados de engenharia. Para tanto, são utilizadas as

calibrações pré-definidas pelo usuário. Os dados podem ser ainda exportados para

uma planilha eletrônica do tipo Excel, onde é possível a manipulação dos mesmos

e a representação dos resultados na forma de gráficos.

DBD


5 Caracterização do Solo

5.1. Caracterização Geotécnica

5.1.1. Índices Físicos

Este item contempla os índices físicos determinados através da utilização

dos processos descritos nas normas referidas no Item 4.1.1. As suas determinações

foram realizadas logo após a abertura do bloco na câmara úmida.

Na Tabela 5.1 seguem apresentados os valores dos índices físicos.

Tabela 5.1 – Índices Físicos.

wnat

(%)

ρs

(g/cm³) Gs

ρd

(g/cm³)

Índice de

Vazios, e

Porosidade, n

(%)

Grau de

Saturação, S

(%)

10 2.69 2.86 1.52 0.88 46.85 35.42

5.1.2. Análise Granulométrica

Seguem dispostos na Tabela 5.2 e na Figura 5.1 os resultados da análise

granulométrica realizada no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-

Rio.

Tabela 5.2 – Distribuição Granulométrica.

Pedregulho

(%)

Areia

(%)

Silte

(%)

Argila

(%)

0 52 34 14

DBD


76

Peneira No (SUCS) 30"

20"18

"16

" 14"

12"

8"6"5"4"3"2"1 ½

"1"3/

4"1/

2"3/

8"5/

16"

1/4"

4681016203050 4060100

200

100

90

80

70

60

50

Por

cent

agem

ret

ida

(%)

40

30

20

10

0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000Diâmetro dos Grãos (mm)

Por

cent

agem

que

pas

sa

(%

)

Figura 5.1 – Distribuição Granulométrica.

5.1.3. Limites de Atterberg

A determinação dos Limites de Atterberg foi realizada segundo as

instruções gerais das normas NBR 6459 (LL) e NBR 7180 (LP) utilizando o

material passante na peneira no. 40.

A Tabela a seguir apresenta os resultados obtidos.

Tabela 5.4 – Limites de Atterberg.

LL LP IP Índice de Atividade de Skempton (Ia)

39.2 28 11.2 0.8

Segundo o Índice de Atividades de Skempton (eq. 4.1) trata-se de um solo

que apresenta atividade normal. Entretanto segue a ressalva de que esta

classificação não foi desenvolvida para solos residuais e sim argila de Londres.

Com tudo este resultado aparenta representar bem as características do solo em

estudo.

DBD


77

5.2. Característica Mineralógica

5.2.1. Microscopia Ótica

Através da observação da lâmina petrográfica foi possível a identificação

dos principais minerais constituintes do solo. Pode-se notar como indicado nas

Figuras 5.3 e 5.4 a presença de K Feldspato, Biotita alterada, Granada e,

discretamente, o Quartzo.

O processo de intemperismo está bastante evidente no Feldspato

Plagioclásio. Na região onde se apresenta este mineral é possível notar uma

grande concentração de vazios dispersos. A formação destes vazios está

relacionada à perda de álcalis do Feldspato.

Nos K Feldspatos é possível observar a presença de vazios intra-granulares

e formação de microporos em seu interior. Também é possível notar a presença de

óxido de ferro realizando a cimentação dos grãos.

Como conseqüência do intemperismo da Biotita e da Granada surge o óxido

de ferro, o qual é o elemento principal responsável pelo processo de cimentação

deste solo. O óxido de ferro age preenchendo os vazios e ligando os minerais ao

seu redor.

Em função do fato do solo ser oriundo de uma rocha intermediária apresenta

discreta presença de grãos de quartzo.

Na lâmina analisada, como indicado na Figura 5.3 pela seta em amarelo, foi

possível visualizar certa orientação estrutural, principalmente no alinhamento

entre os Feldspatos. Esta xistosidade é proveniente do processo de formação da

rocha de origem.

A análise da lâmina petrográfica classificou o solo como sendo residual

jovem com feldspato, biotita muito alterada, K feldspato.

DBD


78

Figura 5.3 – Lâmina Petrográfica.

Figura 5.4 – Lamina Petrográfica – Ampliação do Detalhe na Fig. 5.3.

Vazios Dispersos no Feldspato Plagioclásio

Biotita Alterada + Óxido de Ferro

Granada

Vazios Intra-grãos

Vazios Entre-grãos Orientação Xistosidade Foliação

K Feldspato

Detalhe

Vazios Intra-grãos

Vazios Entre-grãos

Fechamento por Cimentação

DBD


79

Em conjunto com a observação da lâmina petrográfica, as frações de

material retidos na peneira 40, 200 e passante na 200 foram analisadas na lupa

binocular.

De maneira esquemática foram representados na Tabela 5.5 os minerais

observados em cada fração:

Tabela 5.5 – Resultados da observação com a lupa binocular.

Fração Ordem Mineral

Predominante Quartzo

Predominante Concreções com argila e óxido de ferro

Retido #40

Discreto Feldspato

Predominante Mica Muito Alterada (lamelar)

Presente Quartzo

Retido #200

Discreto Feldspato

Predominante Argila Passante #200

Presente Laminas de Mica muito alterada

5.2.2. Difração de Raio-X

Através da técnica de difração de Raio-X, foram realizadas uma série de 3

análises para se determinar os minerais constituintes do solo em estudo. Para

tanto, se utilizou o método do pó. Foram analisadas as frações correspondentes

aos retido nas peneiras 40, 400 e 200.

Nos difratogramas que apresentam picos estreitos, simétricos e bem

definidos (i.e. mais intensos) caracterizam os minerais com estrutura cristalina

bem definida, podendo indicar ainda uma maior porcentagem deste mineral na

amostra. Os minerais podem ainda ser identificados por picos menos intensos e

largos e como mineral traço.

Na seqüência são apresentados os difratogramas com os respectivos

minerais identificados conforme a granulometria das frações analisadas.

DBD


80

Figura 5.5 – Difratograma Material Retido na peneira 40.


Caulinita

FeldspatoAlterado

Quartzo

Quartzo

Caulinita

FeldspatoAlterado

DBD


81


5.3. Propriedades Não-Saturadas

Para o entendimento e caracterização das propriedades não-saturadas,

executou-se uma série de ensaios que compreenderam a determinação da curva

característica via papel filtro, porosimetria de mercúrio e técnica de análise digital

de imagens. Nos itens que seguem estão dispostos os resultados destas análises.

5.3.1. Curva de retenção de umidade

No gráfico da Figura 5.8 apresenta-se a curva de retenção de umidade do

solo estudado. Conforme mencionado no Capítulo 4, item 4.1.3.1, sua

determinação foi realizada utilizando o método do papel filtro. Neste gráfico

foram representadas as sucções mátricas referentes ao papel filtro disposto no

topo e base, bem como a media entre ambos a qual foi estabelecida como sendo a

sucção final.

Para a determinação da sucção foram utilizadas as equações de calibração

do papel filtro propostas por Chandler et. al. (1992) que estão apresentadas na

Tabela 5.6.

Quartzo

Caulinita

FeldspatoAlterado

DBD


82

Tabela 5.6 – Equação de Calibração do Papel Filtro.

Autor Calibração

fwS ×−= 0622.048.4log ; wf- ≤ 47 Chandler et al.

fwS log48.205.6log ×−= ; wf- > 47

0

5

10

15

20

25

30

35

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000

Sucção Mátrica (kPa)

Um

idad

e Vo

lum

étric

a (%

)

Succção Topo

Sucção Base

Sucção Média

'

Figura 5.8 – Curva de retenção de umidade.

Analisando o formato da curva de retenção de umidade (linha tracejada)

nota-se uma entrada de ar, sendo classificada como unimodal.

De maneira complementar foram realizados dois ajustes através dos

modelos de Van Genuchten (1980) e Fredlund & Xing (1994).

As equações utilizadas nos ajustes bem como os parâmetros adotados

encontram-se dispostos na Tabela 5.7.

DBD


83

Tabela 5.7 – Equações de Ajuste para a Curva Característica.

Autor Equação Parâmetros

Van Genuchten

(1980)

mn

a

Wsw

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ Ψ+

=

1

a, n, m

Fredlund e Xing

(1994)

mn

ae

Wscw

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛Ψ+

Ψ=

ln

)( a, n, m, c(ψ)

Os parâmetros de ajuste a, n, m e ws podem ser obtidos através de

interpolações gráficas com a curva de retenção de água, utilizando-se de uma

planilha eletrônica do tipo Excel. Os valores utilizados nos ajustes estão

representados na Tabela 5.8.

Tabela 5.8 – Valores dos Parâmetros de Ajuste (Curva Característica).

Parâmetros (adotados) Modelo

a m n Ws

Van Genuchten

(1980)

1,89x10-4 2 0,5624 0,31

Fredlund e Xing

(1994)

5093 4,48 0,5418 0,31

No gráfico da Figura 5.9 apresentam-se plotados os resultados do ensaio

para determinação da curva de retenção de umidade utilizando o método do papel

filtro bem como os ajustes propostos por Fredlund & Xing juntamente com Van

Genuchten. Pode-se notar uma boa concordância entre os ajustes utilizados com a

curva de retenção do solo em estudo.

DBD


84

0

5

10

15

20

25

30

35

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000

Sucção Matrica (kPa)

Um

idad

e V

olum

étri

ca (%

)

Valores de Ensaio

Ajuste Fredlund & Xing

Ajuste Van Genuchten

Figura 5.9 – Curva Característica com ajustes.

5.3.2. Porosimetria de Mercúrio

Na Figura 5.10 esta representada a curva de distribuição de poros obtida

através da técnica de injeção de mercúrio. A porosidade medida foi de 37,64%.

0

5

10

15

20

25

30

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

Diâmetro dos Poros (μm)

Volu

me

Inje

tado

/Vol

ume

Tota

l (%

)

Figura 5.10 – Curva de Distribuição de Poros.

DBD


85

Utilizando a classificação proposta por IUPAC, Tabela 5.9, foi possível

através da curva de distribuição de poros observar as concentrações de

microporos, mesoporos e macroporos. A curva apresenta um comportamento bi-

modal, ou seja, concentração de poros em dois diâmetros de poros distintos. Esta

característica é própria de solos residuais, que tipicamente apresentam poros entre

partículas e poros entre agregados de partículas. Essa tendência já foi observada

por outros autores em ensaios de porosimetria com solos residuais (e.g. Machado,

1998).

Tabela 5.9 – Classificação IUPAC (Diâmetro de Poros).

Classificação Macraporo

(μm)

Mesoporo

(μm)

Microporo

(μm)

IUPAC Ø < 0,2 0,2 < Ø < 0,5 Ø > 0,5

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

Diâmetro dos Poros (μm)

dV/d

logD

(cm

³/g)

Figura 5.11 – Curva de Distribuição de Poros

Microporos

Mes

opor

os

Macroporos

DBD


86

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000

Sucção Matrica (kPa)

Um

idad

e Vo

lum

étric

a

Figura 5.12 – Curva característica – Porosimetria de Mercúrio.

Como apresentado na Figura 5.12, a partir dos resultados do ensaio de

porosimetria de mercúrio foi determinada a curva de retenção de umidade. Para

tanto foram utilizadas as considerações mencionadas no Capítulo 4.

Pode-se notar uma boa correlação entre as técnicas para valores altos de

sucção. Entretanto, para valores de sucção abaixo de 1000 kPa o ajuste já não se

mostra satisfatório.

Indo de encontro ao observado na técnica do papel filtro, que aparentava

possuir um único valor de entrada de ar, o comportamento da curva de retenção de

umidade proveniente do ensaio de porosimetria de mercúrio indica a existência de

dois valores de entrada de ar.

5.3.3. Microscopia Digital de Varredura,

O processo de captura da imagem da lamina foi realizado através da técnica

de varredura. Esta técnica consiste em capturar imagens, ao longo da lamina,

através de deslocamentos conhecidos para no final se compor um mosaico com as

fotos. Para tanto o equipamento possui uma mesa servo controlada que desloca a

lamina até a posição definida pelo software.

DBD


87

Com o intuito de tornar o trabalho de captura e análise da imagem menos

moroso, em vista o tamanho dos arquivos gerados, a digitalização foi realizada em

quatro etapas. Segue na Figura a seguir a configuração das divisões realizadas.

Figura 5.13 – Lâmina Petrográfica Completa.

Através da técnica de análise adotada foi possível a inserção de filtros que

pudessem traduzir as características morfo-estruturais do solo. Para tanto houve a

tentativa de se realizar a contagem dos pixels referentes aos vazios, representados

pela cor azul, em cada seção da lâmina. Na Tabela 5.10 estão apresentados os

resultados referentes às análises de cada secção.

Tabela 5.10 – Relação das Porosidades Através da Técnica de Microscopia Digital de

Varredura.

Seção Porosidade (%)

1-4 1.81

2-4 3.05

3-4 5.98

4-4 5.43

Porosidade Média 4.77

Notavelmente a porosidade na secção 1-4 apresenta um valor menor que as

outras. Diferenças como esta eram esperadas por se tratar de um solo que

apresenta grande heterogeneidade.

AM 1-4 AM 2-4 AM 3-4 AM 4-4

DBD


88

Os valores de porosimetria obtidos através dos Índices Físicos e utilizando

as técnicas de Porisimetria de Mercúrio e Microscopia Digital de Varredura

(MDV) estão representados na Tabela 5.11. A análise destes resultados sugere que

a porosidade determinada através dos Índices Físicos representa a porosidade total

enquanto os valores determinados através da técnica de Porosimetria de Mercúrio

indicariam a porosidade efetiva (i.e. vazios interconectados). O valor obtido com a

MDV foi muito menor que os demais. Partindo do pressuposto de que tal valor é

irreal, uma possível explicação para tal estaria na dificuldade de se encontrar um

filtro que permitisse uma identificação adequada dos vazios do material.

Deve-se ressalvar que as técnicas de Porosimetria de Mercúrio e MDV

possuem limitações. Ambas apresentam a problemática da representatividade das

amostras utilizadas em função de seus tamanhos reduzidos. Além disso, acredita-

se que a aplicação de Mercúrio a altas pressões possa vir a alterar a estrutura do

solo cimentado, alterando assim as propriedades de porosidade. Acredita-se

também que em função da técnica de MDV realizar uma analise em 2D que os

valores de porosidade possam não ser representativos.

Tabela 5.11 – Porosidades Através das diferentes.

Índices Físicos

Porosimetria de

Mercúrio

Microscopia Digital

de Varredura

Porosidade

(%) 46,85 37,64 4,77

DBD


6 Apresentação e Análise dos Resultados

No presente Capítulo encontram-se apresentados os resultados dos ensaios

triaxiais realizados. Primeiramente serão descritas as características de cada

ensaio com subseqüente apresentação dos resultados. Será exposto o

comportamento mecânico, trajetórias de tensões, bem como a determinação dos

Módulos Iniciais para cada ensaio. Ao final do Capítulo é realizada uma análise

conjunta dos resultados.

As trajetórias de tensões foram plotadas no diagrama utilizado pelo

Massachusetts Institute of Technology (MIT), dos Estados Unidos (Lambe e

Whitman, 1979), onde no eixo das abscissas é plotado o valor de s’ e t nas

ordenadas.

231 σσ +

=s 2

31 σσ −=t eqs. 6.1

Em termos de tensões efetivas

uss −=' tt =' eqs. 6.2

6.1. Ensaios Triaxiais

Como apresentado no Quadro 6.1, foram realizados um total de 15 ensaios

Triaxiais, sendo dez executados em prensa com deformação controlada da

Wikeham Farrance, e cinco no equipamento tipo Imperial College com controle

de trajetória de tensão.

DBD


90

Quadro 6.1 – Organograma dos ensaios triaxiais realizados.

Os ensaios executados com deformação controlada foram divididos em dois

grupos. O primeiro grupo compreende seis ensaios consolidados drenados e o

segundo quatro não drenados. Dentro ainda dos ensaios drenados foram realizados

metade deles com amostras não amolgadas e a outra com corpos de prova

remoldados. Ressalta-se que em todos os demais ensaios realizados foram

utilizadas amostras não amolgadas.

Utilizando o equipamento com tensão controlada foram realizados cinco

ensaios consolidados drenados os quais foram divididos em dois grupos. No

primeiro grupo de ensaios três corpos de prova foram solicitados à ruptura através

do aumento de poro-pressão a qual conferiu o desenvolvimento de uma trajetória

horizontal no sentido do eixo t até atingir a ruptura. O segundo grupo é composto

de dois ensaios, os quais foram solicitados a trajetórias de tensões efetivas

verticais, no plano s’ x t, com o valor de s’ constante após a etapa de

adensamento.

A nomenclatura utilizada é apresentada na Tabela 6.1. Para os ensaios

realizados sobre condição de deformação controlada, as siglas (CID) e (CIU)

indicam respectivamente ensaios consolidados drenados e consolidados não

drenados. Os números arábicos apresentam as tensões de adensamento aplicadas e

os números romanos indicam a ordem em que os ensaios foram realizados. Para

Ensaios Triaxiais (15)

Consolidados Drenados

(6)

Deformação Controlada (10)

Tensão Controlada (5)

Amostra Indeformada

(3)

Amostra Remoldada

(3)

Consolidados Não Drenados

(4)

Acréscimo de Poro-pressão

(3)

Trajetória s’ Constante

(2)

Consolidados Drenados

(5)

DBD


91

os ensaios com tensão controlada solicitados a ruptura por aumento de poro-

pressão (APP), inicialmente os números arábicos separados por hífen representam

respectivamente os valores de s’ e t. Os números romanos que indicam a ordem do

ensaio. Para os ensaios de tensão controlada com s’ constante o índice inicial S’

faz referência ao tipo de ensaio executado. Em números arábicos seguem

indicados os valores de s’ que foram mantidos constantes durante o ensaio.

Novamente os números romanos indicam a ordem de execução dos ensaios.

Na Tabela 6.1 estão representadas as nomenclaturas referentes aos ensaios

de deformação e tensão controlada. Tabela 6.1 – Representação das nomenclaturas utilizadas.

Tensão

Controlada

Deformação

Controlada

APP S’ Constante

Na seqüência, serão apresentados os resultados dos ensaios em grupos,

conforme o organograma apresentado no Quadro 6.1. Inicialmente serão descritos

os ensaios realizados no equipamento triaxial com deformação controlada e na

seqüência os realizados na prensa com controle da trajetória de tensões.

A Tabela 6.2 apresenta, de maneira resumida, as características dos ensaios

realizados bem como os índices físicos associados a cada uma das amostras

ensaiadas.

Tensão de Adensamento

(S’)

Ordem de Execução do

Ensaio Valor de t cte até a Ruptura

Condição de Drenagem

Tensão de Adensamento


Ensaio

Ensaios com S’ cte após o

adensamento até a ruptura


Ensaio Valor de S’ cte até a Ruptura

S’ 75 XIVCID 50 II 125 30 XI R

Remoldado

DBD


92

Tabela 6.2 – Resumo das Propriedades dos Corpos de Prova.

Características dos Ensaios

Tipo Controle Adensamento Corpo de Prova / Índices Físicos Gs= 2.86 Corpo de Prova

CID CIU Tensão Deformação Tensão (kPa) Remoldado Indeformado Massa (g) wi (%) wf (%) S(%) e0 n γsat

CIU 300 I X X 300 X 155.07 15.46 25.38 57.54 0.72 41.86 1.98

CIU 200 II X X 200 X 139.94 10.67 25.75 34.59 0.83 45.26 1.92

CIU 50 III X X 50 X 144.22 13.29 28.60 41.47 0.85 46.03 1.91

CIU 25 IV X X 25 X 142.65 9.72 24.93 33.53 0.78 43.72 1.95

CID 150 V X X 150 X 137.81 4.24 24.81 15.22 0.75 42.77 1.96

CID 125 VI X X 125 X 145.72 10.36 25.85 38.08 0.73 42.17 1.97

CID 75 VII X X 75 X 136.51 9.01 24.92 28.60 0.84 45.79 1.91

CIDR 200 VIII X X 200 X 144.00 10.90 24.29 37.50 0.78 43.79 1.94

CIDR 125 IX X X 125 X 142.00 10.56 23.61 35.44 0.80 44.40 1.93

CIDR 50 X X X 50 X 143.00 10.67 28.69 36.31 0.79 44.06 1.94

125-30 XI X X 125 X 152.02 11.98 24.03 45.78 0.70 41.23 1.98

125-60 XII x X 125 X 145.00 10.30 23.64 36.46 0.75 43.09 1.95

220-75 XIII x X 225 X 153.48 10.58 24.70 35.46 0.79 44.62 1.93

S’ 75 XIV x X 75 X 146.00 12.38 28.35 42.65 0.77 42.65 1.94

S’ 250 XV x X 250 X 147.43 10.36 25.85 38.08 0.73 42.17 1.97

DBD


6.2. Ensaios Triaxiais com Deformação Controlada

Dentro deste grupo estão dispostos 11 ensaios triaxiais os quais serão

separados em dois grupos para melhor interpretação dos resultados. Para facilitar

a análise dos gráficos, eles foram plotados na mesma escala com relação ao eixo

das abscissas.

6.2.1. Ensaios Consolidados Drenados

Serão apresentados a seguir os resultados dos ensaios triaxiais consolidados

drenados realizados em amostras não amolgadas e remoldadas do solo residual de

Gnaisse proveniente do Alto Leblon. A intenção deste procedimento é analisar a

influência da cimentação no comportamento mecânico.

A utilização dos eletroníveis nas análises se restringiu somente na

determinação dos módulos iniciais. Logo, os gráficos σd : εaxial e εvolumétrica :

εaxial apresentados na seqüência estão plotados com valores de deformação axial

provenientes das leituras com o LSCDT.

Para que fosse garantida a condição de dissipação de poro-pressão durante

estes ensaios drenados foi adotada uma velocidade de cisalhamento de 0.043

mm/min, menor que a computada de acordo com Gibson & Henkel (1954).

6.2.1.1. Amostras Não Amolgadas

Os referidos ensaios foram executados com valores de consolidação

respectivamente de 75, 125 e 150 kPa. Foram monitoradas as deformações axiais,

variações volumétricas, tensão desviadora e deformações axiais no corpo de

prova. Os resultados do monitoramento das deformações axiais internas serão

apresentas mais adiante.

São apresentados os resultados dos ensaios na Figura 6.1, que relacionam a

deformação axial com a tensão desviadora (a) e deformação volumétrica (b).

DBD


94

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15εaxial (%)

σ d (K

Pa)

150 C ID

75C ID

125 C ID

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15εaxial (%)

ε vol

umét

rica

(KPa

)

150 C ID

125 C ID

75 C ID

Expa

nsão

Com

pres

são

Figura 6.1 – Comparação entre as curvas σd : εaxial com εvolumétrica :εaxial (Ensaios

Triaxiais Consolidados Drenados em amostras Não amolgadas).

Os ensaios 150 CID e 125 CID fornecem curvas com ausência de picos,

diferentemente do ensaio 75 CID. O pico apresentado no ensaio 75CID está

atribuído ao efeito de dilatância como pode ser observado na Figura 6.1 (b).

A Figura 6.2 representa as trajetórias de tensões obtidas quando solicitados

ao cisalhamento na condição drenada. A análise quanto à resistência será realizada

de forma conjunta aos outros ensaios triaxiais mais adiante no item 6.5.1.

CID 150 V

CID 125 VI

CID 75 VII

CID 150 V

CID 125 VI

CID 75 VII

(a)

(b)

Dilatância

DBD


95

Conforme indicado na Figura 6.2 (linha tracejada), uma envoltória não

linear (ou bi-linear) poderia estar associada a estes resultados. Tal seria decorrente

da cimentação do material indeformado. Entretanto, conforme se verá adiante, isto

não corresponde ao encontrado ao final do trabalho.

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500

s ' (K Pa)

t (K

Pa)

C ID 75 VII

C ID 150 V

C ID 125 VI

75 Indeformado

125 Indeformado

150 Indeformado

Figura 6.2 – Trajetória de Tensão (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados em amostras Não

amolgadas).

6.2.1.2. Amostras Remoldadas

Três corpos de prova remoldados, através do método descrito no Capítulo 4

item 4.3.2.1, foram submetidos ao cisalhamento triaxial na condição drenada para

as tensões de adensamento de 200, 125 e 50 kPa. Os resultados são apresentados

na Figura 6.3.

De maneira distinta aos ensaios anteriormente descritos no item 6.2.1.1., a

medição da deformação axial interna não foi realizada. Isto se deu em função do

fato da prensa em que estes ensaios foram realizados não possuir câmara com

dimensões adequadas à instalação de tal instrumento.

CID 150 V

CID 125 VI

CID 75 VII

Amostras

Não Amolgadas

DBD


96

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15εaxial (%)

σ d (K

Pa)

125 C IDR

50 C IDR

200 C IDR

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

εaxial (%)

ε vol

umét

rica

(KPa

)

125 C IDR

200 C IDR

50 C IDR

Expa

nsão

Com

pres

são


Triaxiais Consolidados Drenados em amostras Remoldadas).

Como esperado, o comportamento apresentado pelas 3 amostras remoldadas

foi bastante semelhante não indicando a presença de picos. Isto de deve à

reorganização da estrutura o que confere ao solo a perda da cimentação conforme

evidenciado por Vaughan et al, 1988.

O comportamento das curvas da Figura 6.3 (b) retrata o comportamento

típico de amostras remoldadas caracterizado pela deformação volumétrica de

compressão.

CIDR 200 VIII

CIDR 125 IX

CIDR 50 X

CIDR 50 X

CIDR 200 VIII

CIDR 125 IX

(a)

(b)

DBD


97

Na seqüência são apresentadas as trajetórias de tensões para os referidos

ensaios.

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500

s ' (K Pa)

t (K

pa)

C IDR 200 VIII

C IDR 125 IX

C IDR 50 X

125 R emoldado

50 R emoldado

200 R emoldado

Figura 6.4 – Trajetória de Tensão (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados em amostras

Remoldadas).

Como era esperada, em função da desestruturação sofrida no processo de

remoldagem (i.e. quebra da cimentação), a envoltória de resistência apresenta um

comportamento linear (linha pontilhada da Figura 6.4)

6.2.2. Ensaios Consolidados Não Drenados (CIU)

Um total de cinco ensaios consolidados não drenados foi executado. Na

etapa de cisalhamento, todos mostraram curvas tensão-deformação sem a presença

de pico de resistência, como pode-se observar na Fig.6.6. No entanto na Figura

6.5 (b) o ensaio CIU 50 mostrou um comportamento distinto dos demais

apresentando uma variação de poro-pressão negativa.

CIDR 50 X

CIDR 200 VIII

CIDR 125 IX

DBD


98

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

εaxial (%)

σd

(KPa

)

200 C IU

300 C IU

50 C IU

25 C IU

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15εaxial (%)

Δu

(KPa

)

200 C IU

300 C IU

50 C IU

25 C IU

Figura 6.5 – Comparação entre as curvas σd : εaxial com Δu : εaxial (Ensaios Triaxiais

Consolidados Não Drenados).

Da mesma forma que nos ensaios drenados apresentados no item (6.2.1).

Nos ensaios não drenados, não foi notada a presença de picos de resistência, indo

de encontro ao esperado devido ao fato de terem sido observadas cimentações nas

análises de microscopia óptica. Acredita-se que tal cimentação tenha sido

danificada pelo processo de secagem a que o material foi submetido durante a

estocagem do mesmo na câmera úmida do Laboratório de Geotecnia e Meio

CIU 50 III

CIU 200 II

CIU 300 I

CIU 25 IV

CIU 50 III

CIU 200 II

CIU 300 I

CIU 25 IV

(a)

(b)

DBD


99

Ambiente da PUC-Rio, no período de 1999 (data de amostragem) e 2007 (início

dos presentes ensaios).

Seguem representadas na Figura 6.6 as trajetórias de tensões dos ensaios

triaxiais de cisalhamento sob condição não drenada com um ajuste linear para a

envoltória de resistência.

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500

s ' (K Pa)

t (K

Pa)

C IU 300 II

C IU 200 III

C IU 25 IV

C IU 50 III

300 CIU

200 CIU

50 CIU

25 CIU

Figura 6.6 – Trajetória de Tensão (Ensaios Triaxiais Consolidados Não Drenados).

6.3. Ensaios Triaxiais Realizados com Controle de Tensões

Todos os cinco ensaios realizados no equipamento triaxial com controle de

trajetórias de tensões foram executados na condição drenada.

Duas condições de carregamento foram estudadas, para tanto foi realizada

uma série de três ensaios de carregamento axial seguido de aumento de poro

pressão até a ruptura, e outros dois ensaios, com trajetória de tensão vertical no

plano s’:t (s’ constante).

Para melhor análise dos resultados será apresentado separadamente cada

grupo de ensaios.

CIU 50 III

CIU 200 II

CIU 300 I

CIU 25 IV

DBD


100

6.3.1. Ensaios Trajetória de Tensão – Aumento de Poro-pressão

Para execução destes ensaios foi programada uma rotina de aplicação de

pressões, a qual em seu estagio inicial aplicou um aumento de tensão desviadora

na condição de s’ constante. Após o valor de t ter alcançado, para os referentes

ensaios, os valores de 30, 60 e 75 kPa dava-se inicio ao novo estágio onde ocorria

a aplicação de poro-pressão, seguindo uma taxa que possibilitava o controle de t

na condição de constância até a ruptura.

Na Figura 6.7 estão representadas as curvas referentes à σd : εaxial e,

respectivamente, à εvolumétrica : εaxial.

O comportamento do solo às trajetórias de tensões programadas pode ser

observado na Figura 6.8. Os “picos” de tensão e de deformação volumétrica não

indicam a ruptura dos corpos de prova e sim o momento em que o equipamento

para de aplicar acréscimos de tensão desviadora e inicia o estágio de aumento de

poro-pressão até a ruptura com tensão desviadora constante.

DBD


101

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

εaxial (%)

σd

(KPa

)220‐75

125‐60

125‐30


Triaxiais Consolidados Drenados com Controle da Trajetória de Tensões).

220‐75 XIII

125‐60 XII

125‐30 XI

220‐75 XIII

125‐60 XII

125‐30 XI

(a)

(b)

DBD


102

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500

s ' (K Pa)

t (K

Pa)

125‐60

125‐30

220‐75

220‐75

125‐60

125‐30

Figura 6.8 – Trajetória de Tensão (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados com Controle

da Trajetória de Tensões).

Analisando as deformações volumétricas apresentadas nestes ensaios

(Figura 6.7-b) é possível notar que no primeiro estágio (i.e. aumento de t), as

amostras indicam um comportamento compressivo enquanto que no estágio

seguinte apresentam expansão. Este último comportamento se deve à trajetória de

aumento de poro-pressão aplicada, que impõe um aumento do volume de água no

corpo de prova.

Através das trajetórias de tensões dispostas na Figura 6.8 é possível o ajuste

de uma envoltória de resistência linear.

6.3.2. Ensaios Trajetória de Tensão – s’ Constante

Nestes ensaios foi buscada a condição de acréscimo de t mantendo-se o

valor de s’ constante até a ruptura. A trajetória vertical representa um

descarregamento lateral com aumento de tensão desviadora, mantendo-se

constante o nível médio de tensões.

220‐75 XIII

125‐60 XII

125‐30 XI

220‐75 XIII

125‐30 XI

125‐60 XII

DBD


103

Na Figura 6.9 são apresentados o comportamento mecânico em termos de

tensão desviadora e deformação volumétrica relacionados à deformação axial.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

εaxial (%)

σd

(KPa

)

250 s '

75 s '

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15εaxial (%)

ε vol

umét

rica

(K

Pa)

250 s '

75 s '

Expa

nsão

Com

pres

são


Triaxiais Consolidados Drenados com Controle da Trajetória de Tensões – s’ cte.).

Para os ensaios realizados com o valor de s’ constante, foram seguidas as

envoltórias de tensões da Figura 6.10. O comportamento que a trajetória de

tensões segue após a ruptura decorre da tentativa do equipamento servo

controlado de manter o valor de s’ constante.

S’250 XIV

S’75 XV

S’250 XIV

S’75 XV

(a)

(b)

DBD


104

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500

s ' (K Pa)

t (K

Pa)

s ' 75 X IV

s ' 250 XV

250 s '

75 s '

Figura 6.10 – Trajetória de Tensão (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados com Controle

da Trajetória de Tensões – s’ cte.).

Com relação à análise da Figura 6.9 é notável nestes ensaios a ausência de

picos de resistência e que a ruptura foi governada pela dilatância.

6.4. Determinação do Módulo Inicial

Através da análise dos gráficos de tensão desviadora versus deformação

axial, foi determinado o Módulo Inicial para cada ensaio. Para tanto, foi utilizado

além do transdutor de deslocamento LSCDT o medidor de deformação axial

interna tipo Imperial College.

A Tabela que segue relaciona os ensaios monitorados com a utilização do

medidor de deformação axial tipo Imperial College. Tabela 6.3 – Relação de ensaios instrumentados com Eletronível.

Ensaios com Monitoramento utilizando Eletronível

CIU CID Deformação

Controlada Todos Indeformados

CD 75 / 150

Remoldados

Nenhum

S’ constante Excesso de poro-pressão Tensão

Controlada Todos Todos

S’250 XIV

S’75 XV

DBD


105

Seguindo a metodologia de apresentação de resultados utilizada nos itens

anteriores, serão expostos os resultados separadamente, conforme a Tabela 6.3.

Com o intuito de minimizar uma potencial influência causada por diferenças

nos índices de vazios nos resultados, optou-se por normalizar os módulos inicias

por (1+eo). Nos gráficos a seguir, que comparam os Módulos Iniciais

correlacionados às tensões de adensamento, o índice N nas legendas refere-se aos

valores dos Módulos Iniciais normalizados.

6.4.1. Módulo Inicial para os Ensaios Consolidados Drenados

Neste item serão relacionados os ensaios triaxiais consolidados drenados

realizados em amostras não amolgadas e remoldadas.

Dentre os ensaios realizados na condição consolidada drenada somente os

ensaios realizados com corpos de prova indeformados foram monitorados com o

auxílio dos eletroníveis.

Nos ensaios triaxiais com corpos de prova indeformados foram registradas

as leituras do eletronível somente para os realizados com respectivas tensões de

adensamento de 75 e 150 kPa. O ensaio com tensão de adensamento de 125 kPa

foi instrumentado, porém ocorreram problemas que ocasionaram na perda destes

dados.

Foram determinados os Módulos Iniciais para os ensaios realizados com

corpos de prova remoldados utilizando-se somente a medida de deformação axial

fornecida pelo LSCDT. Os resultados desta análise estão dispostos na Figura 6.12.

Na Figura 6.11 são comparados os valores dos módulos provenientes das

análises das deformações axiais mensuradas utilizando os eletroníveis e os

transdutores de deslocamento LSCDT normalizados e não normalizados

respectivamente.

DBD


106

0.E+00

1.E+04

2.E+04

3.E+04

4.E+04

5.E+04

6.E+04

7.E+04

8.E+04

9.E+04

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325Tensão Confinante (KPa)

Mód

ulo

Inic

ial

CD LSCDT

CD Eletronível

CD Eletronível N.

CD LSCDT N.

Figura 6.11 – Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios CD.

0.E+00

1.E+04

2.E+04

3.E+04

4.E+04

5.E+04

6.E+04

7.E+04

8.E+04

9.E+04


Mód

ulo

Inic

ial

CDR LSCDT

CDR LSCDT N.

Figura 6.12 – Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios CDR.

DBD


107

6.4.2. Módulo Inicial para os Ensaios Consolidados Não Drenados

Observando os módulos iniciais determinados para os ensaios consolidados

não drenados dispostos na Figura 6.13 é possível notar a influência do índice de

vazios quando se normaliza os ensaios CIU LSCDT. Isto está evidenciado pela

diferença de inclinação entre as linhas de tendência dos módulos iniciais.

0.E+00

2.E+04

4.E+04

6.E+04

8.E+04

1.E+05

1.E+05

1.E+05


Mód

ulo

Inic

ial

CIU Eletronível

CIU LSCTD

CIU Eletronível N.

CIU LSCTD N.

Figura 6.13 – Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios CIU.

6.4.3. Módulo Inicial para os Ensaios com Controle de Trajetória de Tensões

Neste item serão apresentados juntamente os resultados dos valores dos

módulos iniciais para os ensaios de aumento de poro-pressão e s’ constante.

Para os ensaios de aumento de poro-pressão seu comportamento com

relação ao Módulo Inicial esta apresentado na Figura 6.14.

DBD


108

0.E+00

1.E+04

2.E+04

3.E+04

4.E+04

5.E+04

6.E+04

7.E+04

8.E+04

9.E+04


Mód

ulo

Inic

ial

APP Eletronível

APP LSCTD

APP LSCDT N.

APP Eletronível N.

Figura 6.14 – Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios de descarregamento

lateral.

Na Figura 6.15 estão os resultados obtidos para os ensaios que sofreram

cisalhamento sobre a trajetória com o valor de s’ constante.

0.E+00

1.E+04

2.E+04

3.E+04

4.E+04

5.E+04

6.E+04

7.E+04

8.E+04

9.E+04


Mód

ulo

Inic

ial

s' LSCDT

s' Eletronível

s' Eletronível N.

s' LSCDT N.

Figura 6.15 - Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios com s’ constante.

DBD


109

6.5. Análise Conjunta dos Resultados

De modo a complementar os resultados anteriormente apresentados, será

realizada, a seguir, uma análise conjunta dos ensaios quanto a Resistência e aos

Módulos Iniciais.

6.5.1. Resistência

6.5.1.1. Ensaios Drenados e Não Drenados

Como era de se esperar baseado no descrito na literatura (e.g. Atkinson &

Bransby, 1978), os ensaios consolidados drenados e não drenados apresentam

uma envoltória de resistência única. Conforme é possível de ser observado no

ajuste realizado na Figura 6.16, tal envoltória é linear.

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500

s ' (K Pa)

t (K

Pa)

C ID 75 VII

C ID 150 V

C IU 300 I

C IU 200 II

C IU 25 IV

C IU 50 III

C IDR 200 VIII

C IDR 125 IX

C ID 125 VI

C IDR 50 X

Figura 6.16 – Envoltória Única de Resistência.

Os parâmetros de resistência correspondentes a esta envoltória estão

dispostos na Tabela 6.4.

Envoltória Única

DBD


110

Tabela 6.4 – Valores dos Parâmetros de Resistência.

Parâmetros de Resistência

a (kPa) α (Graus) c’ (kPa) Ø’ (Graus)

6.0 27.9 7.0 31.9

6.5.1.2. Ensaios Drenados com Amostras Não Amolgadas e Remoldadas

Analisando o comportamento dos ensaios drenados quanto à envoltória de

resistência é possível notar claramente a existência de um ajuste linear entre os

ensaios tanto com amostras não amolgadas quanto com remoldadas (Figura 6.17).

Este comportamento sugere que o processo de secagem dos corpos de prova

ocasionou desestruturação do material. Pois era de se esperar que a resistência

relacionada aos corpos de prova indeformados fosse maior em se considerando a

existência de cimentação. Esta constatação ficará mais evidenciada na análise

realizada no item 6.5.1.4.

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500

s ' (K Pa)

t (K

Pa)

C ID 75 X II

C ID 150 X I

C IDR 200 VIII

C IDR 125 IX

C ID 125 VI

C IDR 50 X

125 R emoldado

50 R emoldado

75 Indeformado

125 Indeformado

150 Indeformado

200 R emoldado

Figura 6.17 – Trajetória de Tensões dos Ensaios Drenados.

Envoltória Única

CID 75 XII

CID 150 XI

CID 125 IX

CIDR 125 IX

CIDR 200 VIII

CIDR 50 X

DBD


111

6.5.1.3. Ensaios com s’ Constante e Aumento de Poro-Pressão (APP)

Para o gráfico da Figura 6.18 existem duas trajetórias que descrevem cada

tipo de ensaio executado. Os ensaios com s’ constante seguem a envoltória única

descrita no item 6.5.1.1. Entretanto, os ensaios de aumento de poro-pressão

apresentaram uma envoltória deslocada para cima na ordem de 10 kPa. No caso, é

aparente um aumento do intercepto coesivo, com o ângulo de atrito permanecendo

aproximadamente constante (ver Tabela 6.5).

Resultados semelhantes a estes foram descritos por Ng & Petley (2006),

onde também através de ensaios com trajetória de tensões na condição de

acréscimo de poro-pressão notou-se um ganho de resistência. Estes pesquisadores

buscaram em seu trabalho estudar o comportamento de um solo residual

proveniente de Hong Kong a diferentes taxas de pluviosidade. Para tanto,

realizaram 3 ensaios triaxiais na condição CID e 10 APP. Os parâmetros de

resistência encontrados para os ensaios CID foram ∅’=29o e c’=8.3 kPa e para os

ensaios realizados com aumento de poro pressão ∅’=30,7o e c’=14,1 kPa. Da

mesma forma os valores do intercepto coesivo se mantiveram muito próximos e

os valores de coesão efetiva diferiram na casa de 5 kPa. Os referidos autores não

discutiram as possíveis causas desta diferença entre os parâmetros de resistência

dos ensaios APP para os demais.

Explicações teóricas para este comportamento a princípio não foram

encontradas. Considerando que todos estes ensaios foram executados no mesmo

equipamento e usando os mesmos transdutores, não é de se esperar que eventuais

problemas de calibração pudessem ter interferido nestes resultados.

Considerando que o aumento das poro-pressões foi efetuado a uma

velocidade de carregamento aleatoriamente definida, acredita-se que possa ter

ocorrido um erro experimental oriundo de uma medição de poro-pressão não

representativa nos ensaios APP. Em outras palavras, podem ter sido realizadas

leituras de poro-pressão na base que fossem menores das exercidas a meia altura

do corpo de prova. Sugerindo assim que a tensão efetiva fosse maior, o que

justificaria o deslocamento da trajetória de tensão para a esquerda. Para validar

esta justificativa é necessária a execução de ensaios com medição de poro-pressão

na parte média do corpo de prova.

DBD


112

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500

s ' (K Pa)

t (K

Pa)

s ' 75 X IV

s ' 250 XV

125‐60 X I

125‐30X II

220‐75 X III

Figura 6.18 – Trajetória de Tensões dos Ensaios s’ constante e APP.

Tabela 6.5 – Valores dos Parâmetros de Resistência APP.

Parâmetros de Resistência APP

a (kPa) α (Graus) c’ (kPa) Ø’ (Graus)

16.0 27.2 18.7 31.0

6.5.1.4. Comparação com Solo Estruturado

Cabe a este item a comparação entre a envoltória de resistência encontrada

no presente trabalho com a apresentada no estudo desenvolvido por Oliveira

(2000). Vale salientar que os ensaios executados na presente dissertação foram

realizados em blocos amostrados para o primeiro estudo no ano de 1999.

Como mencionado no capítulo 4, item 4.2.4, os blocos estavam envoltos em

filme de PVC, papel alumínio, talagarça e parafina e acondicionados na câmara

úmida do Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. Porém, apesar

dos cuidados despendidos as propriedades relacionadas à umidade não foram

mantidas.

Envoltória Geral

Envoltória APP

DBD


113

Analisando a Figura 6.19 nota-se a diferença de comportamento entre a

envoltória definida por Oliveira (2000), representada pela linha cheia, em relação

à definida no presente trabalho, representada pela linha tracejada. Esta diferença

de comportamento evidencia a perda de cimentação devido ao processo de

secagem. Tal possibilidade já fora levantada na comparação dos resultados dos

ensaios executados nas amostras indeformadas e amolgadas (ver item 6.5.1.2).

A diferença entre os valores de resistência na ruptura quando comparadas a

envoltórias chegou ao máximo de 60 kPa. Esta diferença ressalta a importância

em termos de resistência que a cimentação exercia sobre o solo antes do processo

de secagem.

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500

s' (K P a )

t (KPa)

C ID 75 VIIC ID 150 VC IU 300 IC IU 200 IIC IU 25 IVC IU 50 IIIC IDR 200 VIIIC IDR 125 IXC ID 125 VIC IDR 50 Xs ' 75 XIVs ' 250 XV125‐60 XI125‐30XII220‐75 XIIIE . R . Anterior

Figura 6.19 – Trajetória de Tensões Comparada com Estudos Anteriores.

Analisando os resultados dos ensaios realizados no presente trabalho é

possível através da linha tracejada (i.e. Envoltória Geral) Figura 6.19 notar o bom

ajuste linear entre as diferentes trajetórias de tensões empregadas (ensaios CIU,

CID com amostras indeformadas, CID com amostras remoldadas e ensaios com

controle de s´ constante).

Oliveira 2000

Envoltória Geral

DBD


114

Baseado nas definições propostas por Atkinson & Bransby (1978), que

seguem expostas Capítulo 2 item 2.2, acredita-se que a linha tracejada (Envoltória

Geral) esteja também representando a linha de estado crítico (CSL).

6.5.2. Módulo Inicial

6.5.2.1. Efeito do Índice de Vazios

Analisando o gráfico da Figura 6.20 é possível, através da comparação entre

os resultados normalizados e não normalizados, verificar a influência do índice de

vazios nos valores dos Módulos Iniciais. Apesar dos índices de vazios estarem

muito próximos, a normalização dos valores ocasiona uma melhora na definição

da linha de tendência dos Módulos Inicias com o aumento da tensão efetiva de

adensamento.

Com o intuito de eliminar esta influência, nas análises seguintes serão

utilizados somente os valores dos Módulos Iniciais Normalizados.

É possível também através da análise do gráfico da figura 6.20 notar a razão

entre os valores dos Módulos Iniciais na casa de duas vezes.

Conforme mencionado por Marinho (1986), a razão entre os valores dos

Módulos Iniciais determinados utilizando-se Eletroníveis em relação aos

determinados com LSCDT podem chegar à casa de seis vezes.

DBD


115

0.0E+00

2.0E+04

4.0E+04

6.0E+04

8.0E+04

1.0E+05

1.2E+05

1.4E+05

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325Tensão Efetiva de Adensamento (KPa)

Mód

ulo

Inic

ial

C IU L S C DT

C IU L S C DT Normalizado

C IU E letronível

C IU E letronível Normalizado

Figura 6.20 – Efeito do Índice de Vazios nos Módulos Iniciais.

6.5.2.2. Ensaios Drenados com Amostra Indeformada e Remoldada

O comportamento quanto aos Módulos Inicias provenientes dos ensaios

realizados em amostra não amolgadas e remoldadas é bastante similar.

Infelizmente, como mencionado anteriormente, os ensaios remoldados não foram

instrumentados com os eletroníveis. Porém, através de uma analogia com o

comportamento entre os módulos oriundos das deformações medidas com o

LSCDT, é possível prever que o comportamento se mantenha o mesmo.

Na Figura 6.21 estão representados os Módulos Iniciais relacionados às

respectivas tensões efetivas de adensamento. As linhas tracejadas indicam as

tendências entre os Módulos Iniciais Normalizados.

A proximidade dos valores dos Módulos Iniciais nos ensaios realizados com

amostras amolgadas e não amolgadas representa mais um indício da perda de

cimentação do solo. Pois era de se esperar que a relação entre os valores dos

Módulos Iniciais fosse maior, baseando esta análise ao fato de que os solos

cimentados apresentam maior rigidez quando comparados aos desestruturados

(i.e. amolgados).

DBD


116

0.0E+00

5.0E+03

1.0E+04

1.5E+04

2.0E+04

2.5E+04

3.0E+04

3.5E+04

4.0E+04

4.5E+04

5.0E+04

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225Tensão Efetiva de Adensamento (KPa)

Mód

ulo

Inic

ial

C ID E létronivel Normaliz ado

C ID LS C DT Normaliz ado

C ID R LS C DT Normaliz ado

Figura 6.21 – Módulos Iniciais dos Ensaios Drenados Remoldado e Indeformado.

6.5.3. Ensaios com s’ Constante e Aplicação de Poro-Pressão (APP)

Para efeito de análise dos Módulos Iniciais os ensaios s’ constante e APP

são considerados como sendo do mesmo tipo, pois em seus estágios iniciais

seguiu-se a mesma trajetória de tensões com s’ constante e acréscimo de t. No

gráfico da Figura 6.22 encontram-se agrupados os resultados de tais ensaios, bem

como os dos ensaios CIU e CID convencionais.

Observa-se na Figura 6.22 uma grande influência da trajetória de tensões

nos Módulos Iniciais, com os correspondentes aos ensaios convencionais sendo

cerca de 2,5 a 3 vezes maiores que os advindos dos ensaios iniciados com s’

constante.

DBD


117

0.0E+00

1.0E+04

2.0E+04

3.0E+04

4.0E+04

5.0E+04

6.0E+04

7.0E+04

8.0E+04

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325Tensão Efetiva de Adensamento (KPa)

Mód

ulo

Inic

ial

CiD ELETRONÍVEL N.

CIU ELETRONÍVEL N.

s' cte ELETRONÍVEL N.

APP ELETRONÍVEL N.

Figura 6.22 – Módulos Iniciais dos Ensaios Drenados sob trajetória de tens.

DBD


7 Desenvolvimento de Equipamento Triaxial Não Saturado

O presente capítulo apresenta o desenvolvimento do equipamento triaxial

para ensaios na condição não saturada, confeccionado na Oficina do Laboratório

de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio.

Trata-se de um equipamento Triaxial servo controlado, parcialmente

automatizado, que possibilita tanto a execução de ensaios com tensão, quanto com

deformação controlada. Podendo ainda se trabalhar na condição saturada ou não

saturada. Para este último caso está equipado com um sistema de controle de

sucção e medição de variação de volume total. O conjunto de controle e aquisição

de dados utilizados foi desenvolvido na Imperial College. Este equipamento foi

projetado para trabalhar com amostras de quatro por oito polegadas com medição

de deformação axial interna e com medição do módulo inicial utilizando Bender

Elements.

Basicamente podemos dividir a equipamento em três partes que seriam a

parte de aquisição de dados e comando a segunda o sistema de aplicação de

pressões e a terceira fechando o ciclo a instrumentação, que afere as ações

realizadas e fornece subsidio a novos comandos. Na Figura 7.1 abaixo segue uma

representação do ciclo de controle do equipamento.

Figura 7.1 – Ciclo de Controle.

DBD


119

Na seqüência esta representada, de maneira esquemática, o equipamento

desenvolvido. A descrição dos componentes será o objeto dos itens seguintes

deste capítulo.

Figura 7.2 – Equipamento Triaxial Não Saturado.

DBD


120

Quadro 7.1 – Convenção das Linhas.

Legenda:

1. Câmara Dupla em Nylon.

2. Top em PVC.

3. Câmara externa em acrílico reforçada.

4. Conjunto: Top Cap + Base com PCAEA + “Solo”.

5. Tampa da Câmara Triaxial.

6. Base Superior da Câmara.

7. Base Inferior da Câmara.

8. Base da Prensa Conexões.

9. Reservatório de Aplicação de Tensão Axial.

10. Pistão da Prensa.

11. Borracha de vedação da Bellofram.

12. Sistema de Medição de Variação de Volume Total do Corpo de Prova.

13. Sistema de Medição de Variação de Volume de Água Aplicada ao Corpo

de Prova.

14. Interface Ar/Água

15. Aquisição de Dados.

16. Computador para Tratamento dos Dados e Comando.

17. Box 1 – Responsável pela Aplicação de Ar no Topo da Amostra.

18. Box 2 – Responsável pela tensão desviadora.

19. Box 3 – Responsável pela Aplicação de Água no Corpo de Prova.

20. Transdutor de pressão – Afere a Pressão de Ar Aplicada no Topo da

Amostra.

DBD


121

21. Transdutor de pressão – Afere a Pressão de Água Aplicada no Corpo de

Prova.

22. Transdutor de pressão – Afere a Tensão Confinante.

23. Célula de carga.

24. LSCDT – Medidor de Deformação Axial.

25. LSCDT – Sensor do Sistema de Medição de Variação de Volume de Água

Aplicada na Amostra.

26. Eletroníveis - Medição de Deformação Axial Interno.

27. Válvula Reguladora de Pressão – Responsável Pela Aplicação da Tensão

Confinante.

7.1. Descrição do Equipamento

A apresentação do equipamento será dividida em partes, para um melhor

entendimento. Serão apresentados inicialmente os componentes mecânicos da

prensa triaxial, correspondentes aos itens 1 ao 11 da legenda. Em seguida será

descrito o sistema de medição de variação de volume desenvolvido.

A Figura a seguir mostra o referido equipamento.

Figura 7.3 – Visão Geral do Equipamento Triaxial para Ensaios Não Saturados.

DBD


122

7.1.1. Câmara Triaxial

Como em ensaios triaxiais não saturados a medição da variação de volume

total do corpo de provas é realizada através da variação de volume da água

confinante, a rigidez da célula triaxial é muito importante. Para tanto na tentativa

de suprimir a dilatação, facilmente constatada em sistemas que se utilizam de

câmaras simples, foi introduzido o conceito da câmara dupla.

A técnica da câmara dupla consiste em se utilizar duas câmaras como

mostrado na Figura 7.4, onde através da pressurização da célula exterior à mesma

pressão que a célula interna, pode-se de maneira eficaz considerar a parede da

câmara interna infinitamente rígida. Solucionando assim o efeito da dilatação e

possibilitando uma medição de variação de volume de maneira mais eficiente.

Figura 7.4 – Detalhe Câmara Dupla.

A câmara dupla utilizada no equipamento desenvolvido foi gerada a partir

de um tarugo de nylon o qual foi usinado na oficina do Laboratório de Geotecnia

e Meio Ambiente da PUC-Rio. A escolha do material foi realizada levando em

consideração as propriedades mecânicas, peso e custo.

Em conjunto com a câmara dupla foi utilizada uma câmara externa em

acrílico [3], A qual foi reforçada utilizando-se uma fita da 3M. Esta fita adesiva é

Câmara ExternaCâmara Dupla

DBD


123

reforçada com filamentos de poliéster que fornecem alta tensão de ruptura, alta

resistência ao impacto e alta resistência ao corte. O filme de poliéster proporciona

excelente resistência à abrasão, umidade e desgaste.

Para o fechamento da célula triaxial foram confeccionadas 3 peças em

duralumínio naval liga 5052F, itens 5, 6 e7.

Na tampa da prensa triaxial [5] foram realizados dois furos com posterior

instalação de conexões para a instalação de um ponto onde será aplica a pressão

de ar que irá conferir a tensão confinante e mais um ponto sobressalente. Tanto a

base superior quanto a inferior foram totalmente produzidas e projetadas na

presente dissertação. Os projetos encontram-se em anexo.

Este conjunto de peças [5, 6 e 7] em duralumínio possuem canaletas

projetadas pra receber anéis o’rings os quais a partir da aplicação de tensão

proveniente do aperto das porcas dos tirantes laterais conferem a vedação do

conjunto. No total foram utilizados cinco anéis o’rings sendo que quatros destes

são responsáveis pela vedação da câmara triaxial com o exterior e o restante

realiza a vedação da câmara dupla. Os anéis o’rings podem ser vistos na fig 7.2

representados pela cor verde.

Para a adequação da prensa preexistente a nova câmara triaxial

desenvolvida, foi necessária à adaptação da peça [8]. Esta peça é de suma

importância para o entendimento do funcionamento do equipamento, pois é por

ela que foram realizadas as entradas das tubulações até o interior da câmara

triaxial. Foram realizados um total de 8 acessos, cuja finalidades estão dispostas

na Tabela 7.1.

Tabela 7.1 – Relação de Acessos Câmara Triaxial.

Acessos Finalidade

1 Aplicação de Pressão de ar na topo da amostra

2 Drenagens da base do corpo de prova

2 Instrumentação eletroníveis (medição de deformação interna)

1 Comunicação com o sistema de medição da variação volumétrica total

2 Acessos sobressalentes para futuras instrumentações (Bender Element)

DBD


124

A Figura 7.5 ilustra dois acessos descritos acima bem como o conjunto de

vedação desenvolvido para o equipamento.

Figura 7.5 – Acesso de tubulações a Câmara Triaxial.

A vedação é conferida por um conjunto de porca e anilha em latão. A

passagem do tubo pela peça em latão permite com que a tubulação entre no

equipamento sem que ocorram vazamentos.

Fechando os componentes da câmara triaxial vem o conjunto [4] formando

pelo top cap em acrílico e a base onde o corpo de prova será disposto. A Figura

7.7 representa estas peças. Na parte superior estão dispostos o top cap, o engate da

para a célula de carga e a pedra porosa. O top cap foi projetado para na sua parte

superior receber uma peça em latão no formato de cruz que quando rotacionada

em seu eixo permite o acoplamento de célula de carga ao top cap e ao corpo de

prova. Da lateral do top cap indo em direção ao centro foi projetado um canal que

irá permitir a aplicação de pressão de ar no topo do corpo de prova.

Na base deste conjunto encontra-se o pedestal sobre no qual esta inserida a

pedra cerâmica de alta entrada de ar com capacidade de três Bar. No pedestal,

confeccionado em duralumínio, foi desenvolvida uma serie de canais que

permitem a aplicação uniforme de pressão de água por sob a pedra cerâmica de

Pontos de Acesso

Conjunto de Vedação

Fixação dos Transdutores de Pressão

Dreno de Ar

8

DBD


125

alta entrada de ar. Como indicado na Figura ainda foram projetados dois locais

onde serão conectadas as tubulações de drenagem de água.

Fechando assim este conjunto teremos o top cap onde aplicaremos pressão

de ar e o pedestal onde será aplicada pressão de água, esta configuração permite o

controle de sucção, pois por definição a sucção é a diferença entre a pressão de

água menos a pressão de ar.

Figura 7.6 – Top cap e pedestal.

Pedestal Top Cap

Pedra Cerâmica de Alta Entrada de Ar - 3 Bar

DBD


126

Figura 7.7 – Conjunto Top Cap e Pedestal.

7.1.2. Sistema de Medição de Variação de Volume Total

Nos sistemas triaxiais tradicionais, onde as amostras saturadas são testadas,

a medida da variação de volume do corpo de prova é realizada através de um

simples monitoramento da água que entra ou que deixa a amostra através de um

transdutor de medição de variação volume.

No entanto, em ensaios não saturados as medidas de variação de volume são

muito dificultadas em função da compressibilidade do ar. Pois o aumento da

pressão de confinamento numa amostra não saturada, fará com que ocorra um

movimento de água para fora da amostra sendo que ao mesmo tempo as

dimensões do corpo de prova irão mudar devido à compressão do ar contido nos

vazios.

Logo, para uma medida eficiente torna-se necessária à mensuração do

volume da água que deixa a amostra, bem como a mudança de volume total da

DBD


127

amostra. Com estas duas medidas, pela relação entre a variação de volume devido

à água que está sendo expulsa para fora da amostra, é possível determinar a

mudança de volume decorrente da compressibilidade do ar.

Para tanto foi desenvolvido um sistema composto por uma balança de

precisão e um reservatório em PVC que pode ser observado na Figura 7.9. O

funcionamento do sistema esta baseado na hidrostática (princípio de vasos

comunicantes) onde através da Lei de Stevin podemos afirmar que quando se tem

um único líquido em equilíbrio contido no recipiente:

1. A altura alcançada por esse líquido em equilíbrio, em diversos vasos

comunicantes é a mesma. Qualquer que seja a forma de seção do

ramo.

2. E para todos os pontos do líquido que estão na mesma altura obtêm-

se também a mesma pressão.

Em posse deste principio algumas considerações se tornaram necessárias

para o dimensionamento do sistema:

1. O volume de água confinante (Vc) não se altera durante o ensaio.

2. Os volumes que irão sofre variações serão provenientes da

compressão ou expansão do corpo de prova (Vcp) e da entrada ou

saída do pistão (Vp).

3. A variação de volume de corpo de prova será composta pela saída ou

entrada de água na amostra e pela compressão ou expansão do ar

contido na amostra.

Desta maneira podemos equacionar a variação de volume proveniente do

comportamento mecânico do ar incluso da seguinte maneira: VpVcpVcVt ++= eq. 7.1

Onde Vt corresponde ao volume total do sistema. Em se tratando desta

equação analisando em termos de variações simplificamos a parcela do volume

confinante a equação fica: VpVcpVt Δ+Δ=Δ eq. 7.2

Como o valor da variação de volume proveniente do pistão pode ser

facilmente determinado através de uma calibração que levara em consideração a

variação de volume total gerada em função do deslocamento proveniente do

pistão. Fica faltando à determinação da variação do volume do corpo de prova e

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128

do volume total do sistema. A variação de volume do corpo de prova pode ser

descrita pela seguinte equação 7.3. VáguaVarVcp Δ+Δ=Δ eq. 7.3

Onde a medição de variação de volume decorrente da entrada e saída de

água do corpo de prova pode ser determinada facilmente com a utilização de um

transdutor.

Assim a variação de volume de ar na amostra é expressa pela equação 7.4. VáguaVcpVar Δ−Δ=Δ eq. 7.4

Desta forma a medição da variação de volume total torna-se o parâmetro

final necessário para se avaliar o comportamento de deformabilidade do solo.

A determinação da variação de volume total da amostra é realizada através

da relação quantidade de água que entra ou sai do reservatório disposto sobre a

balança de precisão. Esta variação é decorrente das alterações do volume tanto do

pistão que se desloca como pelas mudanças nas dimensões do corpo de prova.

Para a confecção do Medidor de Variação de Volume Total (MVVT) foi

utilizada uma balança da marca Marte modelo AL500 com três casas decimais,

sendo que sua capacidade máxima é de quinhentos gramas. Dentro desta limitação

foi desenvolvido o reservatório em PVC. O reservatório possui 350 gramas

limitando assim a capacidade de sistema em 150 gramas de água deslocada.

Visando amplificar a sensibilidade do sistema foi desenvolvida uma peça em PVC

[2] a qual foi presa na parte inferior da célula de carga. A amplificação é

alcançada, pois a peça em PVC diminui a área da seção fazendo com que o nível

de água confinante se eleve ou baixe mais para comportar a mesma variação de

volume. Desta forma a variação do volume de fluido deslocado para o

reservatório, disposto sobre a balança de precisão, aumenta.

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129

Figura 7.8 – Sistema de Variação de Volume.

Figura 7.9 – Reservatório em PVC.

Uma calibração prévia do sistema foi realizada utilizando-se os materiais

mencionados na Tabela 7.2 e dispostos na Figura 7.8. Esta calibração não foi

realizada no equipamento triaxial desenvolvido mais sim em uma célula triaxial

convencional. Neste teste buscou-se o entendimento do sistema.

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130

Tabela 7.2 – Relação de Materiais Utilizados para Calibração Prévia do MVVT.

Equipamento Característica / Função

Balança Precisão de 3 dígitos

Bureta Precisão de 1/10 ml

Câmara Triaxial Convencional

Aplicação de Pressão Reguladores de Ar comprimido

Interface Ar/Água Pressurização da Bureta

Corpo de Prova Confeccionado em espuma

O processo de calibração consistiu em aplicar uma pressão de ar (tensão

confinante) igual na célula Triaxial e no MVVT, de modo a garantir o princípio de

vasos comunicantes. Foi também aplicada uma contra-pressão, que permiti-se o

fluxo drenante na amostra.

Houve o monitoramento da variação de volume do corpo de prova através

da bureta bem como a variação de volume total via alteração da massa do contida

no reservatório sobre a balança. Logo, tentou-se correlacionar a variação de massa

medida na balança com a variação de volume na bureta.

Os resultados são condicionados à geometria do sistema, visto que a

sensibilidade esta diretamente correlacionada com a variação de nível da água

disposta no sistema de MVVT.

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131

Figura 7.10 – Calibração do Sistema de Medição de Variação de Volume Total.

O gráfico da Figura 7.11 apresenta os resultados obtidos na calibração do

MVVT.

Figura 7.11 – Calibração do Sistema de Medição de Variação de Volume.

7.1.3. Sistema de Aquisição de Dados e Controle

O conjunto de equipamentos responsáveis pela aquisição de dados e

controle da prensa triaxial é semelhante ao já descrito no capítulo 4 item 4.2.2.6.

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132

Trata-se do sistema de servo controle desenvolvido pela Imperial College

constituído por uma placa de aquisição de dados que realiza a conversão das

leituras dos sensores de analógica para digital. Os dados são enviados ao

computador via cabo serial RS232 onde através do software Triax5 são

processados e transformados em unidade de engenharia utilizando-se de equações

de calibração. Os comandos programáveis oriundos do software são enviados aos

sistemas de aplicação de pressão através da placa 8255 I/O com interface PCI. Os

procedimentos de programação de ensaios estão anexados à presente dissertação.

7.1.4. Sistema de Aplicação de Pressões

As pressões serão aplicadas e controladas pelo sistema apresentado na

Figura 7.12. Onde através de um motor de passo, alimentado pela placa de

conversão, gira o eixo da válvula de precisão no sentido necessário para que a

pressão requerida pelo software seja alcançada.

Figura 7.12 – Box (Controlador de Pressão).

O sistema da Imperial College dispõe de três caixas como a acima mostrada

que realizaram respectivamente a aplicação da tensão de ar no topo da amostra a

contrapressão e a tensão desviadora. Por meio deste sistema que a sucção será

controlada.

Entretanto, será necessário o uso de somente uma interface ar/água que irá

realizar o cambio entre a pressão de ar proveniente do sistema regulador de

pressão em pressão de água na câmara inferior da prensa hidráulica [9].

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133

A aplicação de pressão confinante será dada através da pressurização da

célula triaxial como demonstrado na Figura 7.2. Diferentemente dos sistemas de

aplicação de pressões acima mencionados este será realizado manualmente

utilizando-se uma válvula reguladora de pressão. Esta prática será adotada tendo

em vista que durante a execução do ensaio a tensão confinante será constante.

7.1.5. Instrumentação

A instrumentação a ser utilizada no equipamento triaxial será apresentada na

seqüência de maneira esquemática referenciada à função em que será empregada.

As respectivas mensurações de poro-pressão, tensão confinante e pressão de

ar no topo da amostra serão realizadas através de transdutores de pressão da marca

Keller modelo PR-27W / 8763-15 que trabalha na faixa de pressão de 0 a 15 bar.

A especificação destes sensores são as mesmas dos já utilizados no Equipamento

de Tensão Controlada de Imperial College, o qual foi utilizado na presente

dissertação.

A medição do carregamento axial será realizada através de uma célula de

carga da Wikeham Ferrance com capacidade de 10 kN.

Para a medição da variação de volume e deslocamentos axiais serão

utilizados transdutores de deslocamento tipo LSCDT.

A realização da medição da deformação axial no corpo de prova em

pequenas deformações será realizada por um par de eletroníveis tipo Imperial

College, os quais foram desenvolvidos no laboratório de Geotecnia e Meio

ambiente da PUC-Rio.

De maneira complementar na determinação dos módulos iniciais de

deformações, será implementada a instalação do Bender Element. Para tanto, foi

encomendada a fabricação de um conjunto de top cap e pedestal com as referidas

instrumentações.

No sistema de medição de variação de volume total como já mencionado foi

utilizada uma balança de precisão da marca marte com precisão de três casas

decimais.

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134

Todos os sensores mencionados com exceção da balança digital de precisão

serão conectados ao sistema de aquisição de dados mencionado no item anterior.

A balança será conectada ao computador através de um cabo RS232.

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8 Conclusões e Sugestões para Futuros Trabalhos

8.1. Conclusões

Serão apresentadas considerações sobre a caracterização do solo, ensaios

realizados e desenvolvimento do equipamento triaxial para ensaios não saturados.

- Caracterização do solo:

• A técnica de porosimetria ao mercúrio mostrou-se muito importante

no auxílio da técnica do papel filtro de determinação da curva

característica. Visto que através da distribuição dos poros é possível

se prever o número de entradas de ar. Desta maneira intensifica-se

um número maior de pontos para melhor delinear a curva

característica;

• As fotos das laminas petrográficas obtidas com o Microscópio

Óptico Zeiss AxioPlan 2ie foram de suma importância para

determinação de características morfo-estruturais do solo. Através da

análise destas imagens foi possível visualizar a existência clara de

planos de orientações provenientes da rocha de origem, além

cimentações com óxido e ferro provenientes do intemperismo da

Biotita e do alto grau de intemperismo em que o solo se encontra;

• O método de análise digital de imagens mostrou-se ser uma

ferramenta poderosa na contagem de vazios das lâminas

petrográficas. Seu entendimento ainda não é completo, bem como

sua metodologia na aplicação de filtros para identificação dos vazios

não está bem definida. Porém, mostra-se promissora sua utilização

para compreensão de características dos solos não saturados.

- Ensaios Triaxiais:

• A utilização dos eletroníveis desenvolvidos na PUC-Rio apresentou

bons resultados validando sua utilização. Estes sensores foram de

DBD


136

suma importância na determinação dos Módulos Iniciais para os

ensaios realizados;

• Através das análises das envoltórias de resistência proveniente dos

ensaios realizados comparando-se com os realizados por Oliveira

(2000), notou-se uma diferença considerável de resistência e

comportamento mecânico. Acredita-se que isso se deu em função do

processo de secagem que se instaurou nos blocos, condicionados na

câmara úmida, apesar dos cuidados tomados para que isso não

acontecesse;

• Validação do equipamento triaxial com controle de trajetória de

tensões da Imperial College visto que este equipamento apresentava

problemas de funcionamento. Para tanto, foi substituída a placa de

controle, os cabos de comunicação entre o computador e as caixas de

aplicação de pressão e a implementação do o uso do software Triax5

com interface Windows. Após todas estas alterações o equipamento

foi calibrado o comportamento do software, estudado e

posteriormente validado com os presentes ensaios apresentados.

- Desenvolvimento do Equipamento Triaxial para ensaios na condição não

saturada.

• O sistema de medição de variação de volume total apresentou, em

ensaio de calibração prévio, um bom funcionamento. A problemática

de se desenvolver um reservatório resistente a pressões na casa de

1000 kPa e que não tivesse massa superior a 350 g foi atendida com

êxito. Isto se deu com o desenvolvimento do recipiente (mencionado

no Capítulo 7) confeccionado em PVC;

• A utilização de software gráfico para modelagem em 3D agregou

muitas vantagens na etapa de definição dos projetos da câmara

dupla, pois foi possível simular várias alternativas de configuração

para o equipamento;

• A pesquisa de materiais alternativos na convecção da câmara dupla

resultou na escolha do nylon no lugar de duralumínio. Esta escolha

foi baseada nas propriedades mecânicas, peso e no custo do material.

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137

8.2.Sugestões para Futuros Trabalhos

- Caracterização:

• Incorporar na metodologia da determinação da curva de retenção de

umidade a técnica de porosimetria ao mercúrio, com o intuito de se

determinar o número de entradas de ar em função da distribuição dos

poros;

• Intensificar estudos sobre a técnica de análise digital de imagem de

laminas petrográficas para estimar o índice de vazios e verificar a

possibilidade de se estar determinando o índice de vazios específicos

do material.

- Ensaios Triaxiais:

• Realização de ensaios triaxiais consolidados drenados em amostras

remoldadas com eletronível para verificação dos módulos iniciais.

- Desenvolvimento do Equipamento Triaxial para ensaios na condição não

saturada.

• Validação do equipamento, instalação da unidade de controle,

calibração, realização de ensaios.

DBD


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