Compressibilidade dos Solos SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO 2. CARREGAMENTOS 3. RECALQUES 4. PREVISÃO DE RECALQUES 5. EXERCÍCIOS
Compressibilidade dos Solos
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO
2. CARREGAMENTOS
3. RECALQUES
4. PREVISÃO DE RECALQUES
5. EXERCÍCIOS
INTRODUÇÃO
A possibilidade do solo mudar de volume quando sujeito a variações no seu estado de tensões efetivas induz a que estruturas fundadas sobre o solo possam apresentar deslocamentos que precisam ser conhecidos e avaliados.
As variações de volume são, em sua maioria, por rearranjo das partículas e, sobre esforços compressivos, entende-se que normalmente haverá uma redução dos vazios do solo.
Os solos que sobre esforços compressivos apresentam grande variação de volume são ditos solos compressíveis.
Normalmente, os solos compressíveis estão associados a solos argilosos de baixa consistência ou a solos granulares muito fofos.
Quando a redução de volume se dá de forma intencional visando modificar propriedades mecânicas do solo em decorrência da densificação do solo diz-se que se está compactando o solo.
Quando em decorrência de carregamento aplicado ao solo a redução de volume se dá sem objetivar diretamente a modificação de propriedades mecânicas, embora mensurando e tomando partido desse comportamento, diz-se que houve compressão do solo.
CARREGAMENTOS
Em relação à distribuição espacial temos:
(a) os carregamentos finitos em que os acréscimos de tensões na massa de solo variam com a distância ou profundidade em relação a região de aplicação do carregamento; e
(b) o carregamento infinito quando o acréscimo de tensão é uniforme na massa de solo, em distância e em profundidade.
Carregamento finito
Carregamento infinito
Carregamento no tempo
Para solos saturados, em relação ao tempo ou à velocidade de dissipação do excesso de poropressão gerado pelo carregamento, temos:
(a) carregamento não drenado, em que o acréscimo de tensão decorrente da sobrecarga aplicada (Ds) é suportado inicialmente pela água presente nos vazios do solo, implicando em aumento da poropressão na região carregada: u = u0 + Ds.
Esse excesso de poropressão vai sendo dissipado ao longo do tempo e o carregamento transferido para o esqueleto sólido do solo (grãos), aumentando a tensão efetiva na região carregada: s’ = s’0 + Ds.
A mecânica da transferência de carga
Fonte: notas de aula do Prof. Ian Martins (COPPE/UFRJ)
Carregamento não drenado
Como exemplo de carregamento não drenado temos:
Carregamentos rápidos em areias como impactos e sismos;
Carregamentos em solos de baixa permeabilidade onde a velocidade do carregamento supera a velocidade de dissipação do excesso de poropressão gerado.
Uma escavação, mesmo não sendo propriamente um carregamento ou um descarregamento, modifica o estado de tensão do solo e portanto também pode implicar em comportamento não drenado, dependendo da velocidade dessa modificação de estado de tensão e da facilidade com que ocorre o reequilíbrio da poropressão.
Carregamento drenado
(b) carregamento drenado, em que o acréscimo de tensão decorrente da sobrecarga aplicada (Ds) é suportado quase que imediatamente pelo esqueleto sólido do solo (grãos), implicando em aumento da tensão efetiva na região carregada: s’ = s’0 + Ds.
Carregamento drenado
Como exemplo de carregamento drenado temos o carregamento em solo cuja velocidade de imposição da sobrecarga é inferior a velocidade de dissipação do excesso de poropressão.
Portanto, mesmo em solos com baixa permeabilidade, pode-se ter um carregamento drenado se a velocidade do carregamento for lenta o suficiente para ensejar dissipação do excesso de poropressão gerado por essa sobrecarga aplicada.
Comportamento do solo quanto aos carregamentos
linha tracejada laranja: comportamento drenado
linha cheia vermelha: comportamento não drenado
Aos carregamentos não drenados, os solos respondem apresentando maior rigidez,
embora a carga de ruptura (Qult) seja menor que a Qult na condição drenada.
s
e
Comportamento Carga x Deslocamento (recalque)
linha tracejada laranja: comportamento drenado
linha cheia vermelha: comportamento não drenado
q1
w (recalque)
Q (carregamento) q2
É a quantidade de movimento vertical descendente (deslocamento) que uma estrutura pode ter em razão da deformação do solo.
Quando o movimento é ascendente chama-se levantamento.
Deformações elásticas ou plásticas das peças estruturais (deformações específicas) não são consideradas recalques, mesmo que provoquem deslocamentos verticais da estrutura.
RECALQUES
O recalque pode causar:
Desaprumo;
Danos funcionais;
Danos estruturais; e/ou
Danos estéticos.
Tipos de recalques
O recalque (w) pode ser:
Absoluto;
Relativo ou Diferencial; e
Distorcional (rotacional absoluto ou relativo).
Tipos de recalques
Recalques diferenciais
Fonte: notas de aula do Prof. Ian Martins (COPPE/UFRJ)
O recalque (w) decorre da aplicação de carga ao solo e se processa, em parte, imediatamente após o carregamento (wi) e, em parte, com o decorrer do tempo (wt).
w = wi + wt.
Recalque final
O recalque imediato ou instantâneo é geralmente considerado elástico (we), embora possa haver componentes plásticas (wp) - deformações permanentes.
wi = we + wp.
Recalque imediato
O recalque no tempo se deve à variação de volume por fenômenos viscosos (wv), também chamado de fluência, creep ou adensamento secundário; e
por migração de água dos poros do solo e subsequente redução no índice de vazios do solo devido à redução do volume do solo (wa), chamado simplesmente de adensamento.
wt = wv + wa.
Recalque no tempo
Em solos de drenagem rápida (areias ou solos argilosos não saturados) o recalque ocorre relativamente rápido, dependendo da premeabilidade do solo e também da distância das fronteiras drenantes e ainda do seu potencial de creep.
Em areias o recalque no tempo pode ser de alguns minutos ou mesmo dias.
Em argilas plásticas o recalque no tempo pode ser de até vários anos.
Recalque no tempo
Gráfico recalque x tempo
linha cheia vermelha: recalque imediato
linha tracejada laranja: recalque no tempo
tempo
w
Resumo dos recalques
estrutura
recalque plástico
recalque elástico
recalque por adensamento
recalque por fluência
w
No exercício da engenharia geotécnica a previsão de recalques é uma das tarefas mais difíceis e o resultado dos cálculos, por mais sofisticados que sejam, deve ser encarado como uma estimativa.
PREVISÃO DE RECALQUES
Métodos racionais – um modelo teórico consistente (e. g. a teoria da elasticidade) é usado e os parâmetros de deformabilidade empregados na análise vêm de ensaios representativos em laboratório ou in situ.
MÉTODOS DE PREVISÃO
Métodos semiempíricos – utilizam modelos teóricos consistentes ou adaptações deles e os parâmetros de deformabilidade empregados nas análises vêm de correlações com ensaios in situ.
MÉTODOS DE PREVISÃO
w = I . Ds . B . (1-n2) / E
Onde:
I – fator de influência
Ds – carregamento
B – menor largura da fundação
n – coeficiente de Poisson do solo
E – módulo de elasticidade do solo.
Método Racional
Fator de Influência (I)
FORMATO
(L/B) RÍGIDA
FLEXÍVEL
CENTRO BORDA
CIRCULAR 0,79 1,00 0,64
QUADRADO 0,86 1,11 0,56
L/B = 1,5 1,05 1,36 0,68
L/B = 2 1,17 1,52 0,75
L/B = 3 1,42 1,72 0,84
L/B = 5 1,66 2,10 1,05
L/B = 10 2,00 2,54 1,27
L/B = 50 3,00 3,57 1,80
L/B =100 3,40 4,00 2,00
Módulos de Elasticidade (E) típicos
ESTADO DO SOLO Valores de E (MPa)
DAS (2007) PINTO (2000)
ARGILA
MUITO MOLE < 2,5
MOLE 1,8 a 3,5 2,5 a 5
MÉDIA 5 a 10
RIJA 10 a 20
MUITO RIJA 20 a 40
DURA 6 a 14 > 40
AREIA
FOFA 10 a 28
COMPACTA 35 a 70
AREIA DE GRÃOS FRÁGEIS,
ANGULARES
FOFA 15
COMPACTA 35
AREIA DE GRÃOS DUROS,
ARREDONDADOS
FOFA 55
COMPACTA 100
Coeficiente de Poisson (n) típicos
ESTADO DO SOLO
Valores de n
DAS (2007)
ARGILA
MOLE 0,15 a 0,25
MÉDIA 0,2 a 0,5
AREIA
FOFA 0,2 a 0,4
MEDIANAMENTE
COMPACTA 0,25 a 0,4
COMPACTA 0,3 a 0,45
COM SILTE 0,2 a 0,4
w = IG.IF.IE . Ds . Be . (1-n2) / E0
Onde:
IG – fator de influência p/ variação de E com a profundidade
IF – fator de correção da rigidez da fundação
IE – fator de correção da profundidade de assentamento da fundação
Ds – carregamento
Be = diâmetro equivalente de uma fundação retangular (B x L) = (4.B.L/p)1/2
n – coeficiente de Poisson do solo
E0 – módulo de elasticidade do solo.
Método Aprimorado (Mayne e Poulos, 1999)*
(*) – Os ábacos para determinação de IG, IF e IE podem ser encontrados em Das (2007).
Ver Fundamentos da Engenharia Geotécnica, Das (2007) cap. 10 p. 247 exemplo 10.1 e p. 250 exemplo 10.2
EXERCÍCIOS