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Mecânica dos Solos II - Edição 201 8
RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS
Capítulo 5 – RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS
Como visto neste curso, carregamentos externos aplicados na superfície, ou mesmo
a própria geometria da superfície da massa de solo, contribui para o desenvolvimento de
tensões tangenciais ou de cisalhamento, que podem chegar a valores próximos da máxima
tensão cisalhante que o solo suporte, podendo ocasionar a ruptura do material.
O problema da determinação da resistência aos esforços cisalhantes nos solos
constitui um dos pontos fundamentais de toda a Mecânica dos Solos. Uma avaliação
correta deste conceito é um passo indispensável para qualquer análise da estabilidade das
obras civis.
Define-se como resistência ao cisalhamento do solo a tensão cisalhante que ocorre
no plano de ruptura no instante da ruptura. A Figura 5.1 mostra um exemplo de ruptura de
uma massa de solo de uma encosta.
Figura 5.1 – Ruptura de massa de solo e sua movimentação sobre uma estrada
Gerscovich (2010) ressalta que “a ruptura em si é caracterizada pela formação de
uma superfície de cisalhamento contínua na massa de solo. Existe, portanto, uma camada
de solo em torno da superfície de cisalhamento que perde suas características durante o
processo de ruptura, formando assim a zona cisalhada, conforme mostrado na Figura 5 .2.
Inicialmente há a formação da zona cisalhada e, em seguida, desenvolve-se a superfície de
cisalhamento”.
Figura 5. 2 – Zona fraca, zona cisalhada e superfície de cisalhamento (LEROUEIL, 2001)
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RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS
5.1 – Considerações preliminares sobre resistência ao cisalhamento
A capacidade dos solos em suportar cargas, depende de sua resistência ao
cisalhamento, isto é, da tensão
r
que é a máxima tensão que pode atuar no solo sem que
haja ruptura. Terzaghi (conhecido como o “pai” da Mecânica dos Solos) conseguiu
conceituar essa resistência como conseqüência imediata da pressão normal ao plano de
rutura correspondente a pressão grão a grão ou pressão efetiva. Isto é, anteriormente
considerava-se a pressão total o que não correspondia ao real fenômeno de
desenvolvimento de resistência interna, mas, na nova conceituação, amplamente
constatada, conclui-se que somente as pressões efetivas mobilizam resistência ao
cisalhamento , (por atrito de contato grão a grão) donde se escreve:
c tg c ( u ) tg
r
,
Hvorslev, ao analisar argilas saturadas, concluiu que nessa situação a coesão é
função essencial do seu teor de umidade, donde se escreve:
c =f h( )
Logo temos para a máxima tensão de cisalhamento (poderá ser representado
simplesmente por r
, sem o “apóstrofo”):
Em outras palavras, a expressão acima traduz a situação já afirmada de que os
parâmetros c e não são características simples dos materiais, mas, dependem,
essencialmente, das condições de ocorrência/utilização dos materiais. Como as condições
de utilização são variáveis, partiu-se para se sofisticar os ensaios de laboratório na tentativa
de criar as situações de ocorrência/utilização, procurando considerar o fato de a amostra ter
sido retirada do todo e, logicamente perdendo algumas características originais de
comportamento ao natural.
Da expressão matemática temos:
c f h( ) tg
i
tensão interna de resistência por atrito fictício ou proveniente do
entrosamento de suas partículas traduzida pela força de coesão (que
pode ser verdadeira ou aparente - em areias). Depende da ocorrência
de água nos vazios e suas condições de arrumação estrutural. Em
engenharia, só consideramos válida a coesão verdadeira.
( − u ) tg
tensão interna de resistência por atrito de contato grão a grão.
Dependente da arrumação estrutural (maior ou menor contato grão a
grão) e da ocorrência da pressão neutra que refletirá diretamente no
valor de σ’.
Os parâmetros c e , definidores da resistência interna ao cisalhamento dos solos
terão que ser determinados, na maioria dos casos, em laboratório nas condições mais
desfavoráveis previstas para o período de utilização de cada projeto específico.
f ( ) h ( u ) tg
r
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RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS
Ensaio de penetração estática do cone – CPT.
O ensaio de penetração estática do cone, também conhecido como Deep Sounding ,
foi desenvolvido na Holanda com o propósito de simular a cravação de estacas e está
normalizado pela ABNT através da norma NBR 3406.
O ensaio de CPT permite medidas quase contínuas da resistência de ponta e lateral
devido à cravação de um cone no solo, as quais, por relações permite identificar o tipo de
solo, destacando a uniformidade e continuidade das camadas. Permite, também, determinar
os parâmetros de resistência ao cisalhamento e a capacidade de carga dos materiais
investigados. Apresenta como desvantagens a não obtenção de amostras para inspeção
visual, a não penetração em camadas muito densas e com a presença de pedregulhos e
matacões, as quais podem tornar os resultados extremamente variáveis e causar problemas
operacionais como deflexão das hastes e deterioração na ponteira.
O equipamento para execução do ensaio CPT consta de um cone de aço, móvel,
com um ângulo no vértice de 60
0
e área transversal de 10 cm
2
O ensaio consiste em cravar o cone solidário a uma haste e medir o esforço
necessário à penetração. São feitas medidas de resistência de ponta e total (Figura 5.3).
Os dados permitem obter, ainda, boas indicações das propriedades do solo, ângulo
de atrito interno de areias, e coesão e consistência das argilas.
Figura 5. 3 – Resultado de um ensaio de penetração do cone – CPT
Ensaio de palheta – “Vane test”.
O “Vane test” foi desenvolvido na Suécia, com o objetivo de medir a resistência ao
cisalhamento não drenada de solos coesivos moles saturados. Hoje o ensaio é normalizado
no Brasil pela ABNT através da norma NBR 10905.
O equipamento para realização do ensaio é constituído de uma palheta de aço,
formada por quatro aletas finas retangulares, hastes, tubos de revestimentos, mesa,
dispositivo de aplicação de um momento torçor e acessórios para medida do momento e
das deformações. O equipamento está apresentado na figura 5.4. O diâmetro e a altura da
palheta devem manter uma relação constante 1:2 e, sendo os diâmetros mais usuais de 55,
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65, e 88mm. A medida do momento é feito através de anéis dinamométricos e vários tipos
de instrumentos com molas, capazes de registrar o momento máximo aplicado.
O ensaio consiste em cravar a palheta e em medir o torque necessário para cisalhar
o solo, segundo uma superfície cilíndrica de ruptura, que se desenvolve no entorno da
palheta, quando se aplica ao aparelho um movimento de rotação. A instalação da palheta
na cota de ensaio pode ser feita ou por cravação estática ou utilizando furos abertos a trado
e/ou por circulação de água. No caso de cravação estática, é necessário que não haja
camadas resistentes sobrejacentes à argila a ser ensaiada. Com a palheta na posição
desejada, deve-se girar a manivela a uma velocidade constante de 6º/min, fazendo-se as
leituras da deformação no anel dinamométrico de meio em meio minuto, até rapidamente,
com um mínimo de 10 rotações a fim de amolgar a argila e com isto, determinar a
sensibilidade da argila (resistência da argila indeformada/ resistência da argila amolgada).
Figura 5.4 – Equipamento para ensaio de palheta no campo e em tamanho reduzido para
laboratório, do Laboratório de Ensaios Especiais em Mecânica dos Solos da UFJF
No instante da ruptura o torque máximo (T) aplicado se iguala à resistência ao
cisalhamento da argila, representadas pelos momentos resistentes do topo e da base do
cilindro de ruptura e pelo momento resistente desenvolvido, ao longo de sua superfície
lateral, dado pela expressão:
T = M
L
+ 2M
B
Onde: T = torque máximo aplicado à palheta; M L
=momento resistente
desenvolvido ao longo da superfície lateral de ruptura; M B
=momento resistente
desenvolvido no topo e na base do cilindro de ruptura, dados por:
L u
M. D. H. c
2
B u
M Dc
3
Onde: D = diâmetro do cilindro de ruptura; H = altura do cilindro de ruptura; Su =
resistência não drenada da argila. Substituindo as duas últimas equações na anterior e
fazendo-se H = 2D, tem-se o valor da coesão não drenada da argila, expresso pela fórmula:
3
D
T
S
u
