Solos não drenados e ensaios CU/UU

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Controle de Obras Mecânica dos solos
Prof. Ilço Ribeiro Jr
•Resistência ao cisalhamento das areias e argilas
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Solicitações Não Drenadas

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Quando um carregamento é aplicado em uma massa de solo saturada, ocorrem variações de tensões totais nas vizinhanças do local de aplicação da carga. Estas variações de tensões totais geram excessos de poro-pressão.
Solicitações não drenadas
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Para solos de alta permeabilidade, como no caso das areias, a drenagem ocorre rapidamente, dissipando o excesso de poro-pressão tão logo o carregamento é aplicado. Para solos de baixa permeabilidade, como no caso de argilas, é comum que quase nenhuma dissipação ocorra durante a aplicação da carga. Esta situação caracteriza uma solicitação não drenada.

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Em obras de duração relativamente curta (aterros construídos rapidamente, escavações, aterros de barragens homogêneas, etc.) com drenagem impedida, caracteriza uma solicitação representada pelos ensaios adensados não drenados (CU) e por ensaios não adensados não drenados (UU).
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Solos adensados não drenados
(Ensaio CU)

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A análise de um problema de estabilidade pode ser feito tanto em termos de tensões totais, como em tensões efetivas. As solicitações não drenadas são típicas de solos argilosos. Portanto, o estudo do comportamento dos solos argilosos é realizado utilizando amostras normalmente adensadas (NA) e pré-adensadas (PA).
Solos adensados não drenados (Ensaio CU)
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Nos ensaios drenados (CD), um carregamento axial provoca a redução de volume do corpo de prova, com conseqüente percolação de água para fora da amostra. Impedindo-se a drenagem, é razoável esperar que surjam poro-pressões positivas devido à tendência da amostra de reduzir de volume. Uma amostra de argila saturada cisalhada em condições não drenadas deforma-se sem variação de volume, devido à incompressibilidade dos materiais que compõem a amostra (água e grãos).
Argilas normalmente adensadas (NA) (OCR =1)

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Dois ensaios CU adensados para diferentes valores de σ3. Os círculos de Mohr na ruptura, tanto em termos de tensões totais como em termos de tensões efetivas.

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As envoltórias são retas passando pela origem com coeficientes angulares tg φ e tg φ’ para tensões totais e efetivas respectivamente. Para uma mesma argila, com um dado OCR, existe uma relação única de resistência ao cisalhamento, independente do tipo de carregamento e condições de drenagem. Assim, a envoltória de resistência em termos de tensões efetivas de um ensaio CU é igual a envoltória de resistência de um ensaio CD, ou seja, φ’CU = φ’ CD.
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O excesso de poro-pressão gerado por um carregamento não drenado, para argilas normalmente adensadas, é positivo. A dissipação desta poro-pressão aumenta a resistência ao cisalhamento do solo (note que φ’ > φ). Neste caso, uma obra estável a curto prazo aumenta sua segurança com o tempo.

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Argilas pré-adensadas (PA) (OCR > 1)
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As argilas pré-adensadas, ensaiadas com drenagem (CD), apresentam após pequena redução de volume (compressão), uma dilatação, ou seja, uma absorção de água pela amostra. Portanto, em carregamentos não drenados é razoável esperar que surjam poro-pressões negativas, devido a tendência de aumento de volume do corpo de prova.

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Curvas típicas do ensaio CU para solos pré-adensados.
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A envoltória em termos de tensões efetivas é praticamente igual à obtida em ensaios CD. A envoltória de resistência em termos de tensões totais se afasta de uma reta passando pela origem, representativa dos solos NA, sendo a resistência expressa, para solução de problemas práticos, pela reta que melhor se ajusta aos resultados, segundo a expressão:
em termos de tensões efetivas, segundo a expressão:

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Deve-se observar que, para solos PA, o excesso de poro-pressão gerado por um carregamento é negativo, e portanto τ’ < τ (este comportamento é mais visível para altos valores de OCR – solos fortemente pré-adensados). Conseqüentemente, a resistência ao cisalhamento do solo tende a diminuir com o tempo e em análises a longo prazo a estabilidade da obra diminui (este caso é crítico em escavações em argila saturada fortemente pré- adensada).
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Para baixas tensões confinantes (elevadas razões de pré-adensamento - OCR) a poro-pressão na ruptura é negativa e o círculo de tensões totais se localiza à esquerda do círculo de tensões efetivas e para altas tensões confinantes (baixos OCR) a poro-pressão na ruptura é positiva e o círculo de tensões totais se localiza a direita do círculo de tensões efetivas, a coesão total (c) é maior do que a coesão efetiva (c’) e o ângulo de atrito interno total (φ) é menor que o ângulo de atrito interno efetivo (φ’).

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Solos levemente pré-adensados exibem um comportamento intermediário entre solos NA e fortemente PA.
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Observação: Influência da tendência à dilatação nas poro-pressões.
A razão pela qual Δu pode ser positivo ou negativo está na tendência à dilatação ou à contração da amostra. Em uma argila PA saturada, que no ensaio CD apresenta dilatação volumétrica no cisalhamento, quando o material for submetido a um ensaio não drenado CU, as partículas tenderão a se afastar; entretanto, como as válvulas estão fechadas, não pode ocorrer qualquer dilatação e, com isto, a água será tensionada e a poro-pressão diminuirá.
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Com um material saturado que tende a se contrair durante o cisalhamento ocorre o inverso; as poro- pressões tendem aumentar, como acontece com uma argila NA. Resumindo, quando a tendência à variação volumétrica no cisalhamento não drenado é de dilatação, Δu diminui; quando a tendência é de compressão, Δu aumenta.

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Solos não adensados e não drenados
(Ensaio UU)
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É um método simplificado para se verificar o comportamento de solos de baixa permeabilidade e saturado (argilas), quando submetidos a uma solicitação quase instantânea, através de tensões totais denominado método φ = 0 (SKEMPTON, 1948).
Solos não adensados e não drenados (ensaio UU)

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O ensaio UU (não drenado não adensado) é realizado sem permitir a drenagem em qualquer estágio do carregamento (fase de adensamento e cisalhamento). Portanto, determina-se a resistência ao cisalhamento não-drenado (Su ou Cu), mantendo-se inalteradas as condições de campo do solo no início do ensaio (índice de vazios e teor de umidade).
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Em solicitações não drenadas, as tensões efetivas em uma amostra saturada permanecem constantes após a aplicação da tensão confinante, independente do seu valor, pois qualquer aumento na tensão confinante resulta em igual acréscimo de poro-pressão .
para uma solicitação isotrópica (Δσd = 0) e em solos saturados B é igual a 1,0, a expressão acima resume- se à forma:

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Como as tensões efetivas são independendes da tensão confinante, uma bateria de ensaios realizados a diferentes valores de tensão confinante (σc) resultam nos mesmos valores de tensão desviadora na ruptura. Os resultados expressos em termos de tensões totais são apresentados no slide a seguir, sendo a envoltória de resistência horizontal (envoltória fictícia), isto é, φu = 0 e a resistência ao cisalhamento, S = Su .
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Resumo: Sendo as tensões efetivas independentes da tensão confinante, em solos saturados, os círculos de ruptura em termos de tensões efetivas de uma serie de ensaios se confundem em um único circulo. Desta forma, não é possível definir a envoltória de ruptura em termos de tensões efetivas de um solo saturado por meios de ensaios UU.

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