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ESTUDO DA VARIABILIDADE DA RESISTNCIA AO CISALHAMENTO DE ALGUNS
SOLOS CLASSIFICADOS SEGUNDO A MCT (MINIATURA, COMPACTADO, TROPICAL)
PARA DOIS NVEIS DE ENERGIA: NORMAL E INTERMEDIRIA Leandro de Aquino
Leo (IC) e Rita Moura Fortes (Orientadora) Apoio: PIVIC
Mackenzie
Resumo
A construo de barragens muito onerosa, o investimento necessrio
para a construo de uma obra para essa finalidade muito elevado,
havendo diversos estudos para viabilizar o empreendimento,
inclusive um que consiste na definio dos solos a serem utilizados
nos taludes de aterro. Este trabalho trata da variabilidade da
resistncia ao cisalhamento de alguns solos classificados segundo a
MCT (Miniatura, Compactado, Tropical) para dois nveis de energia:
normal e intermediria. A resistncia ao cisalhamento de um solo o
fator preponderante para a estabilidade de um aterro, visto que a
ruptura desse aterro quase sempre ocorre quando o solo submetido a
tenses cisalhantes que ultrapassem a resistncia ao cisalhamento do
solo. A resistncia ao cisalhamento de um solo compactado est
diretamente ligada energia utilizada na compactao e ao teor de
umidade deste solo, sendo fundamental para a construo de um talude
de aterro o conhecimento de qual energia de compactao necessria
para obteno da resistncia ao cisalhamento que atende aos critrios
de projeto. Este trabalho apresenta as energias de compactao e os
teores de umidade para alguns solos classificados segundo a MCT
para dois nveis de energia: normal e intermediria e a resistncia ao
cisalhamento de cada um desses solos, obtida atravs do ensaio de
cisalhamento direto.
Palavras-chave: resistncia ao cisalhamento, MCT (miniatura,
compactado, tropical), compactao
Abstract
The construction of dams is very expensive, the investment
required to build a work for this purpose is very high, with
several studies to enable the enterprise, including one that is the
definition of land use in the landfill slopes. This work deals with
the variability of shear strength of some soils classified
according to the MCT (Miniature, Compacted, Tropical) for two power
levels: normal and intermediate. The shear strength of a soil is
the main factor for the stability of a landfill, since the
breakdown of landfill almost always occurs when the soil is
subjected to shear stresses exceeding the shear strength of soil.
The shear strength of a compacted soil is directly related to the
energy used in compression and the moisture content of soil, is
central to the construction of an embankment slope of the knowledge
which compaction is necessary to obtain the shear strength that
meets the design criteria. This work presents the compaction and
moisture content for some soils classified according to the MCT for
two power levels: normal, intermediate and shear strength of each
of these soils, obtained from direct shear test.
Key-words: shear strength, MCT (miniature, compacted, tropical),
compression
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1. INTRODUO O Brasil apesar de possuir um dos maiores conjuntos
de bacias hidrogrficas do mundo e sendo sua principal fonte de
energia a hidreltrica, muito sofreu no perodo de junho de 2001 a
fevereiro de 2002, quando ocorreu o racionamento de energia,
segundo Bardelin (2004) ocorrido porque o crescimento do parque
gerador brasileiro no acompanhou adequadamente o aumento no consumo
de energia eltrica.
O aumento do consumo de energia eltrica que uma realidade no
nosso pas, alerta para a necessidade da construo de novas
hidreltricas, o que pode ser agravado tambm com a possibilidade de
falta de chuvas, que podem provocar o esgotamento dos reservatrios
de gua das usinas hidreltricas existentes, prejudicando
sobremaneira o crescimento econmico e o bem estar da populao, pois
no existe crescimento sustentvel na ausncia de gua e energia.
Dessa maneira salienta-se a importncia da reservao de gua, que
represa a gua nos perodos de chuva evitando que a mesma no falte
nos perodos de seca, buscando assim o abastecimento contnuo
populao. Por outro lado, verifica-se a necessidade de estudo e
previso de construes de novas usinas, manuteno, e possivelmente,
construo de novos reservatrios, o que diretamente indica construo
de barragens.
A construo de barragens para a reserva de gua, com a finalidade
de suprir as necessidades do homem, como observado por Cruz (1996)
to antiga quanto a sua histria.
Aps o aparecimento da Mecnica dos Solos no incio do sculo
passado, passou-se a ter sustentao terica para a execuo de diversas
obras, inclusive como destacado por Teixeira (1997) para a conduo
dos trabalhos exigidos na execuo do aterro de uma barragem,
incluindo-se a possibilidade de controle do material a ser
utilizado na compactao.
Por o Brasil ser um pas de clima tropical apresenta dentre os
tipos de solos, os solos denominados como solos tropicais, que
apresentam propriedades e comportamentos diferentes de solos no
tropicais em decorrncia de processos geolgicos e/ ou pedolgicos,
comuns em regies de clima tropical mido Committee on Tropical Soils
of ISSMFE (1985). A resistncia ao cisalhamento dos solos fortemente
influenciada pelo nvel de energia a ser utilizada na compactao e
pelo tipo de solo a ser compactado. Alguns solos apresentam um
ganho significativo quando se altera a energia da compactao de
normal para intermediria, entretanto outros solos obtm uma
resistncia prxima a sua mxima com a compactao na energia normal, no
obtendo ganhos significativos com a compactao na energia
intermediria.
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Com base nessa problemtica, objetiva-se avaliar a variabilidade
da resistncia ao cisalhamento de alguns solos classificados segundo
a MCT (Miniatura, Compactado, Tropical) para dois nveis de energia:
normal e intermediria.
2. REFERENCIAL TERICO 2.1. SOLOS TROPICAIS
Os solos tropicais apresentam algumas peculiaridades que so de
grande importncia para os estudos geotcnicos, como sua ocorrncia,
suas propriedades fsicas e mecnicas, de acordo com Futai (1999) e
com Nogami e Villibor (1995) os solos tropicais podem ser divididos
em duas grandes classes, queles encontrados mais superficialmente,
denominados solos laterticos e os que resultam da decomposio e/ou
desagregao in situ de rocha, denominados solos saprolticos.
Ao se tratar da classificao de solos tropicais, a natureza das
fraes de argila e areia de solos de regies tropicais possuem
diferenas em relao s de regies temperadas, segundo Fortes et al.
(1999) essas diferenas representam uma das principais razes que
limitam as classificaes geotcnicas dos solos tropicais, uma vez que
as classificaes mais comumente utilizadas foram desenvolvidas para
solos de clima temperado. Em funo dessas limitaes Nogami e Villibor
(1981 e 1985) desenvolveram a metodologia MCT (Miniatura,
Compactado, Tropical) que prpria para uso em solos tropicais usada
na classificao e determinao das propriedades fsicas e hidrulicas de
solos tropicais compactados.
2.2. CARACTERIZAO DOS SOLOS TROPICAIS Os solos tropicais se
caracterizam por uma srie de peculiaridades, que levam a dividi-lo
em duas grandes classes, solos laterticos e solos saprolticos.
O trabalho publicado por Cozzolino e Nogami (1995) apresenta uma
boa caracterizao dos solos tropicais, segundo o qual os solos
laterticos se caracterizam basicamente pela cor, predominantemente
vermelho e amarelo, espessuras variadas, geralmente da ordem de
dois a dez metros, apresentam gros muito resistentes mecnica e
quimicamente, na frao areia e pedregulho, e elevada porcentagem de
partculas constitudas de hidrxidos e xidos de ferro e alumnio, na
frao argila, gros mais finos agregados, podendo-se visualizar, na
natureza, grande volume de vazios que em grande parte esto
preenchidos por ar, justificando a baixa massa especfica e elevada
permeabilidade.
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Entretanto, conforme destacado por Pinto (2002), quando os solos
laterticos so compactados, ganham capacidade de suporte, e no
apresentam expanso na presena de gua, sendo por isso muito
utilizados em aterros e em obras rodovirias.
Os solos saprolticos so encontrados abaixo do perfil latertico
ou a outros tipos de solos, apresentando espessuras muito variadas,
normalmente superiores a 10 metros, sua colorao depende da sua
rocha matriz, por isso apresenta uma colorao bem variegada, segundo
Nogami e Villibor (1995) j foi designado como sendo solo de alterao
de rocha, podendo-se confundir visualmente com uma rocha alterada,
de uma forma geral um solo muito heterogneo, o que dificulta uma
caracterizao geral.
2.3. METODOLOGIA MCT
A metodologia MCT permite a determinao das propriedades mecnicas
e hidrulicas dos solos e classifica os solos tropicais em duas
grandes classes, com comportamentos distintos, os solos de
comportamento latertico (L) e os solos de comportamento no
latertico (N). As quais so subdivididas em 7 grupos: - LG: argilas
laterticas e argilas laterticas arenosas;
- LA: areias argilosas laterticas;
- LA: areias com pouca argila latertica;
- NG: argilas, argilas siltosas e argilas arenosas no
laterticas;
- NS: siltes caulinticos e micceos, siltes arenosos e siltes
argilosos no laterticos;
- NA: areias siltosas e areias argilosas no laterticas;
- NA: areias siltosas com siltes quartzosos e siltes argilosos
no laterticos.
Os ensaios da metodologia MCT envolvem diversos ensaios, dentre
os quais esto os ensaios de compactao Mini-MCV, mini-CBR, perda por
imerso, permeabilidade e infiltrao. Os ensaios so realizados com
miniaturizao da aparelhagem, segundo Cozzolino e Nogami (1993) isso
se deve aos custos de realizao dos ensaios, pois se fossem usadas
as aparelhagens tradicionais, os custos seriam muito elevados.
2.4. ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO
O ensaio de cisalhamento direto foi desenvolvido basicamente
para a determinao da resistncia ao corte de um corpo de prova de
solo, de forma prismtica e seo quadrada ou circular e de pequena
espessura.
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Os resultados obtidos devem ser analisados com cuidado, como
visto em Das, (2007) o plano de corte pode no representar o plano
mais fraco e a distribuio da resistncia ao cisalhamento do corpo de
prova no uniforme.
Apesar das limitaes, o ensaio de cisalhamento direto se torna
uma opo adequada a alguns casos por sua simplicidade de execuo e
pelo custo mais baixo em relao a outros ensaios, como o ensaio de
compresso triaxial.
2.5. COMPACTAO DOS SOLOS A compactao dos solos utilizada em
diversas obras de engenharia, como tambm na construo de barragens
de terra, com o objetivo de promover adaptaes em suas
caractersticas fsicas e estruturais, conforme apontado por Aguiar
(2010), sendo que nem sempre se consegue com a compactao uma
resistncia melhor do que encontrada em solos naturais encontrados
na jazida. A compactao dos solos afetada pelo teor de umidade, que
influencia significativamente o grau de compactao alcanado por
determinado solo, pelo tipo de solo e pela energia utilizada na
compactao. Um mesmo solo, quando compactado com energias
diferentes, apresentar valores de peso especfico aparente seco
mximo maiores para valores crescentes dessa energia. A figura 1
apresenta uma curva de compactao tpica para valores crescentes de
energia.
Figura 1 Curvas tpicas de compactao de um mesmo solo compactado
com energias diferentes Fonte: Pinto (2002)
3. MTODO 3.1. GENERALIDADES O desenvolvimento do presente estudo
baseou-se na obteno da variabilidade da resistncia ao cisalhamento
para amostras de solo tropical classificadas pela metodologia MCT
para dois nveis de energia normal e intermediria, utilizando-se
para tal de:
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- pesquisa terica que teve como objetivo identificar os aspectos
concernentes aos benefcios da compactao sob o ponto de vista
tcnico, visando melhora da resistncia ao cisalhamento.
- parte experimental que consistiu na classificao dos solos pela
metodologia MCT, compactao das amostras utilizando energia normal e
energia intermediria e ensaios de cisalhamento direto.
Para a parte experimental contou-se com o apoio do laboratrio
LENC ENGENHARIA E CONSULTORIA, que contribuiu com est pesquisa
fornecendo as amostras de solo compactadas nas energias normal e
intermediria e as classificando atravs da metodologia MCT.
Os ensaios de cisalhamento direto foram realizados por este
autor no laboratrio de mecnica dos solos da Universidade
Presbiteriana Mackenzie com o apoio de sua orientadora.
3.2. CLASSIFICAO DOS SOLOS E COMPACTAO NAS ENERGIAS NORMAL E
INTERMEDIRIA
Os solos estudados foram caracterizados pelos mtodos clssicos
para caracterizao geotcnica. Foram realizados ensaios de anlise
granulomtrica segundo a norma NBR 7181/84 (Solo Anlise
granulomtrica) e apresentada uma classificao segundo a norma NBR
6502/95 (Rochas e solos), para determinao dos limites de Atterberg,
pelas normas NBR 6459/84 (Solo Determinao do limite de liquidez) e
NBR 7184/84 (Solo Determinao do limite de plasticidade). Para a
classificao dos solos tropicais foi utilizada a metodologia
denominada MCT. Na sequncia foram realizados os ensaios de
compactao segundo a norma NBR 7182/86 (Solo Ensaio de compactao)
para as energias normal e intermediria. Aps a realizao da compactao
separou-se dois corpos de prova de cada amostra, compactados na
energia normal e intermediria que resultaram na mxima especfica
seca mxima e umidade tima para serem utilizados nos ensaios de
cisalhamento direto.
Todos os ensaios desse item foram realizados pela empresa LENC
ENGENHARIA E CONSULTORIA. As figuras 2 a 4 mostram as amostras que
foram selecionadas para o ensaio de cisalhamento direto:
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Figura 2 NG (energia normal e intermediria) Fonte: Prpria
Figura 3 NS (energia normal e intermediria) Fonte: Prpria
Figura 4 NS (energia normal e intermediria) Fonte: Prpria
3.3. CISALHAMENTO DIRETO Os ensaios de cisalhamento foram
programados com os corpos de prova compactados, foram realizados
utilizando como referncia a ASTM D3080-04 (Standard Test Method for
Direct Shear Test of Soils Under Consolidated Drained Conditions)
tendo como objetivo conhecer a variabilidade da resistncia ao
cisalhamento dos solos frente a diferena das energias de compactao
utilizadas nos corpos de prova.
Os corpos de prova compactados foram cuidadosamente moldados com
o uso de formas metlicas quadrangulares biseladas, as quais possuam
5 cm de largura interna e 2 cm de altura, rea de 25cm e volume de
50 cm e com auxlio de lminas, para serem colocados na prensa de
cisalhamento direto.
Buscou-se evitar alteraes no estado do material devido perda de
umidade, de forma que os corpos de prova foram armazenados em cmara
mida envolvidos em plsticos.
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No equipamento de cisalhamento direto, a tenso vertical obtida
com um sistema de pesos, que so posicionados na poro inferior de um
conjunto de hastes. A prensa possui um motor eltrico que desloca a
base de cisalhamento, de modo que sua metade superior reage contra
um anel dinamomtrico, medindo-se a fora tangencial, o sistema
provido de um potencimetro, que mantm constante a velocidade de
deslocamento da clula durante o cisalhamento.
O deslocamento horizontal medido por um extensmetro, na base da
clula e os deslocamentos verticais so monitorados tambm com um
extensmetro, posicionado no topo do sistema de carregamento
vertical.
As clulas de cisalhamento envolveram o uso de placas metlicas
ranhuradas e pedras porosas, tanto no topo como na base das
amostras.
Uma vez moldados, os corpos de prova eram transferidos para a
clula de cisalhamento.
As amostras foram cisalhadas sob carregamento normal de 100, 200
e 400 kPa, sob as mesmas condies da compactao.
As figuras 5 a 8 mostram como foi moldagem dos corpos de prova,
o sistema de cisalhamento e o armazenamento em cmara mida.
Figura 5 moldagem dos corpos de prova Fonte: Prpria
Figura 6 sistema de cisalhamento Fonte: Prpria
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Figura 7 detalhe dos extensometros Fonte: Prpria
Figura 8 armazenamento dos corpos de prova compactados em cmara
mida Fonte: Prpria
4. RESULTADOS E DISCUSSO 4.1. CARACTERIZAO E COMPACTAO DOS SOLOS
Os solos estudados foram classificao pela metodologia MCT em NS,
LG, NG. Os resultados da caracterizao e compactao dos solos nas
energias normal e intermediria so apresentados nas tabelas 1 e
2.
Tabela 1 Caracterizao geotcnica dos solos estudados
Caractersticas/Propriedades SOLOS
NS LG NG Pedregulho (%) 0,00 0,00 0,00 Areia grossa (%) 10,70
0,85 9,57 Areia mdia (%) 15,08 12,41 13,22 Areia fina (%) 17,00
30,23 15,72 Silte + Argila (%) 57,23 56,51 61,50 Limite de liquedez
- LL (%) * 48,00 46,00 Limite de plasticidade LP (%) * 27,00 29,00
ndice de plasticidade IP (%) * 21,00 17,00 * Valores no fornecidos
pelo laboratrio.
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Tabela 2 Compactao Proctor Normal e Intermedirio Amostra
(Compactao) Caractersticas Valores obtidos NS (Proctor Normal)
Umidade mdia (%) 15,79 17,19 19,09 21,29 23,60
Peso esp. seco (kN/m) 15,09 16,03 16,75 16,27 15,74 NS (Proctor
Intermedirio) Umidade mdia (%) 14,60 17,10 20,10 23,40 26,40
Peso esp. seco (kN/m) 16,50 17,00 17,10 16,40 15,50 LG (Proctor
Normal) Umidade mdia (%) 17,80 19,49 21,50 23,80 25,70
Peso esp. seco (kN/m) 13,16 14,15 14,60 14,01 13,38 LG (Proctor
Intermedirio) Umidade mdia (%) 19,70 21,60 23,80 25,10 27,80
Peso esp. seco (kN/m) 14,90 16,10 16,50 16,10 13,90 NG (Proctor
Normal) Umidade mdia (%) 12,60 14,19 16,33 18,19 20,89
Peso esp. seco (kN/m) 15,07 15,94 16,47 16,02 15,16 NG (Proctor
Intermedirio) Umidade mdia (%) 14,30 16,20 18,40 20,30 22,10
Peso esp. seco (kN/m) 16,50 17,00 17,20 16,70 16,00
Atravs da tabela 2 possvel confirmar o aumento do peso especfico
das amostras na medida em que se eleva a energia de compactao,
conforme descrito do item 2.5 e exemplificado na figura 1 e ainda
verificar que a amostra LG apresentou o maior ganho de densidade
com o aumento da energia de compactao, da ordem de 1,9 kN/m de
aumento, comprovando uma das caractersticas dos solos laterticos,
que ganham capacidade de suporte quando compactados. Entretanto
percebe-se que o teor de umidade timo aumentou para as amostras
compactadas na energia intermediria, provavelmente devido
heterogeneidade do material, e pelas fraes de lateritas presentes
no solo. As figuras 9 a 11 apresentam a distribuio granulomtrica
dos solos estudados, enquanto que as figuras 12 a 14 apresentam as
curvas de compactao dos solos estudados.
Figura 9 - Distribuio granulomtrica NS
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Figura 10 - Distribuio granulomtrica LG
Figura 11 - Distribuio granulomtrica NG
Figura 12 Curvas de compactao amostra LG
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Figura 13 Curvas de compactao amostra NG
Figura 14 Curvas de compactao amostra NS
4.2. RESISTNCIA AO CISALHAMENTO A resistncia ao cisalhamento das
amostras de solo, NS, LG e NG compactadas nas energias normal e
intermediria foram avaliadas por ensaios de cisalhamento
direto.
As amostras foram cisalhadas sob carregamento normal de 100, 200
e 400 kPa e teores de umidade prximos umidade tima do ensaio de
Proctor.
A tabela 3 apresenta os resultados de resistncia ao cisalhamento
de pico (mximo) e resistncia ao cisalhamento residual obtidos dos
ensaios de cisalhamento direto.
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Tabela 3 Resultados dos ensaios de cisalhamento direto
Amostras (Compactao) Resistncias ao cisalhamento (kPa)
Valores obtidos Carregamento Normal (kPa) 100,00 200,00
400,00
NS (Proctor Normal) Pico 66,00 102,80 195,60 Residual 46,80
97,20 182,80
NS (Proctor Intermedirio) Pico 62,80 108,80 216,40 Residual
47,60 94,00 204,80
LG (Proctor Normal) Pico 113,20 228,00 263,20 Residual 64,80
130,40 241,20
LG (Proctor Intermedirio) Pico 161,20 187,20 272,80 Residual
55,60 122,80 198,40
NG (Proctor Normal) Pico 100,40 126,80 225,60 Residual 56,40
106,00 205,60
NG (Proctor Intermedirio) Pico 80,40 119,20 183,20 Residual
57,20 102,00 173,60
A partir dos resultados obtidos dos ensaios de cisalhamento
foram elaborados os grficos da tenso cisalhante e as envoltrias de
resistncia. As figuras 15 a 22 apresentam os grficos
elaborados.
Figura 15 Curvas de tenso cisalhante x deslocamento amostra
NS
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Figura 16 Curvas de tenso cisalhante x deslocamento amostra
LG
Figura 17 Curvas de tenso cisalhante x deslocamento amostra
NG
Figura 18 Curvas de tenso cisalhante x deslocamento amostras
compactadas na energia normal
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Figura 19 Curvas de tenso cisalhante x deslocamento amostras
compactadas na energia intermediria
Figura 20 Envoltria de resistncia amostra NS
Figura 21 Envoltria de resistncia amostra LG
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Figura 22 Envoltria de resistncia amostra NG
As envoltrias de resistncia foram traadas a partir dos valores
das resistncias de pico obtidos em cada ensaio. A equao para a
linha mdia obtida a partir dos resultados experimentais :
f = ' x tg() + c
onde: f = resistncia ao cisalhamento de pico
' = tenso normal
= ngulo de atrito efetivo
c = coeso efetiva
A partir dessas envoltrias determinaram-se os parmetros de
resistncia ao cisalhamento das amostras ensaiadas, apresentados na
tabela 4.
Tabela 4 Parmetros de resistncia ao cisalhamento
Amostras (Compactao) c(kPa) () NS (Proctor Normal) 9,00 23,41 NS
(Proctor Intermedirio) 22,20 27,28 LG (Proctor Normal) 95,60 24,40
LG (Proctor Intermedirio) 118,40 20,81 NG (Proctor Normal) 51,00
23,18 NG (Proctor Intermedirio) 43,20 19,51
Atravs da anlise dos grficos elaborados e dos parmetros de
resistncia ao cisalhamento obtidos, verificou-se a influncia do
aumento do teor de umidade timo para os corpos de prova compactados
na energia intermediria sobre a resistncia ao cisalhamento dos
solos.
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Sendo que o solo para energia intermediria o solo NG apresentou
reduo na resistncia ao cisalhamento em todas tenses aplicadas, o
solo NS praticamente no demonstrou variao de resistncia embora
tenha-se obtido ganho nos parmetros de resistncia determinados
atravs da envoltria de resistncia e o solo LG apresentou ganhos de
resistncia ao cisalhamento.
5. CONCLUSO Analisando os resultados pode-se fazer as seguintes
concluses quanto a variabilidade da resistncia ao cisalhamento para
as amostras de solos tropicais classificados pela MCT em LG, NS e
NG, compactadas nas energias normal e intermediria:
- a heterogeneidade do material contribui para o aumento do teor
de umidade timo durante a compactao na energia intermediria, fator
que conforme observado nos ensaios de cisalhamento direto
interferiu com a variabilidade da resistncia ao cisalhamento dos
solos;
- a amostra classificada em LG, embora o acrscimo de umidade,
apresentou ganhos na resistncia ao cisalhamento de pico ao elevar a
energia de compactao de normal para intermediria, ressaltando o
comportamento dos solos laterticos que adquirem capacidade de
suporte quando compactados;
- as amostras de solo com comportamento no laterticos,
classificadas em NS e NG no apresentaram ganhos na resistncia de
cisalhamento, apresentando reduo na resistncia ao cisalhamento para
amostra NG e no variando significativamente na amostra NS.
Ressalta-se que o presente estudo no encerra o assunto tendo em
vista sua complexidade. O estudo da resistncia ao cisalhamento dos
solos tropicais compactados exige que sejam ensaiadas uma
quantidade maior de amostras e que sejam executados uma variedade
maior de ensaios para analisar melhor todas as propriedades
relacionadas variabilidade da resistncia ao cisalhamento.
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E-mail para contato Aluno: Leandro de Aquino Leo:
[email protected]; Orientador: Prof. Dr. Rita Moura
Fortes: [email protected]