análise do comportamento de um solo artificialmente

ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE UM SOLO
ARTIFICIALMENTE CIMENTADO SOB DIFERENTES
TRAJETÓRIAS DE TENSÕES
Francisco Dalla Rosa
UFRGS, Porto Alegre, Brasil, [email protected]
Nilo C. Consoli
UFRGS, Porto Alegre, Brasil, [email protected]
Fernando Schnaid
UFRGS, Porto Alegre, Brasil, [email protected]
RESUMO: O comportamento de solos cimentados por processos naturais ou artificiais, como os
adotados na estabilização de solos, possui considerável influência da densidade e do estado de
tensões a que estes materiais estão submetidos durante a fase que compreende a cimentação dessas
partículas. Uma alternativa a esse estudo é a elaboração de um meio em que as amostras possam ser
cimentadas sob um estado de tensões específico, e que ao mesmo tempo em que se promove uma
específica redução do índice de vazios do respectivo material. Seguindo nessa analogia, o presente
estudo visa apresentar resultados de ensaios triaxiais realizados em amostras de um solo
artificialmente cimentado, curadas sob diferentes níveis de tensão. São também abordados os
resultados do ponto de vista de rigidez e deformabilidade encontrados para o material. Os
resultados preliminares têm demonstrado que tanto a redução do índice de vazios, bem como a
magnitude das tensões confinantes durante a cura, apresentaram influência no comportamento
tensão-deformação-dilatância das amostras artificialmente cimentadas.
PALAVRAS-CHAVE: Solos Artificialmente Cimentados, Trajetória de Tensões, Comportamento
Mecânico.
1
INTRODUÇÃO
A concepção do comportamento de solos
estruturados por cimentação tem sido realizada
rotineiramente com amostras indeformadas
extraídas em campo. Porém, os processos que
envolvem a preparação de tais amostras
permitem à ocorrência de danos à estrutura
presente nestes solos, o que prejudica a
interpretação do comportamento real destes
materiais, do ponto de vista de rigidez e
deformabilidade. Clayton et al. (1992) afirmam
que estas perturbações podem ocasionar
incertezas na análise dos resultados, ainda mais
quando estes são direcionados ao estudo da
própria estrutura do solo.
No que diz respeito da compressão triaxial,
tais solos apresentam comportamentos muito
bem definidos de acordo com o aumento da
tensão confinantes utilizada no cisalhamento.
Autores como Gens & Nova (1993), Coop &
Atkinson (1993), Cecconi et al. (1998),
Cuccovillo & Coop (1999), Consoli et al.
(2000), Rotta (2000 e 2005) e Leroueil & Hight
(2003) contribuíram significativamente para a
compreensão do comportamento destes
materiais, quando submetidos à compressão
triaxial.
A mudança da trajetória de tensões adotadas
no cisalhamento é outro aspecto que deve ser
avaliado em um estudo do comportamento
mecânico de solos cimentados. Leroueil &
Vaughan (1990) afirmam que independente da
trajetória de tensões, o estado que define o
regime elástico não deve ser afetado pela
mudança do caminho de tensões percorrido
durante a fase de cisalhamento.
De um modo geral, solos cimentados,
quando cisalhados sob baixas tensões
confinantes apresentam um comportamento
frágil, ou seja, caracterizado por apresentar
resistência de pico a pequenas deformações,
seguindo de um comportamento do tipo
“softening” e notável deformação de expansão,
similar ao apresentado para solos densos e não
coesivos. Sob altas tensões de confinamento,
este comportamento se da de forma dúctil, onde
substanciais deformações são necessárias para
que a resistência máxima possa ser atingida.
Associado a este comportamento dúctil, grandes
deformações volumétricas de compressão
ocorrem durante a fase de cisalhamento das
amostras.
2
METODOLOGIA E MATERIAIS
2.1
Materiais
Na realização deste estudo, foi utilizado um
solo encontrado na região da Grande Porto
Alegre / RS, oriundo da formação Botucatu. Tal
solo é caracterizado como sendo uma areia fina,
siltosa e mal graduada. A distribuição
granulométrica do material é composta por
27,8% de areia média, 33,4% de areia fina,
31,3% de silte e 7,5% de argila. Os limites de
liquidez e plastificidade medidos foram
respectivamente iguais a 22% e 15%.
Utilizou-se como agente cimentante o
cimento Portland CP-V ARI, com o objetivo de
reduzir o tempo necessário para a cura das
amostras em 48 horas. Adotaram-se como
teores de cimento em relação ao peso seco da
amostra, valores que variaram entre 0%, para o
caso não cimentado e posteriormente, 1% 2% e
3%. Tais teores de cimentação correspondem a
níveis de fraco a medianamente cimentado,
dependendo do critério de classificação
(Beckwith & Hansen 1982; Rad & Clough
1985; Hardingham 1994).
2.2
Equipamento
Para a realização deste estudo, houve a
necessidade de se construir um equipamento
capaz de realizar a cura das amostras, e
posteriormente o cisalhamento das mesmas em
distintas trajetórias de tensões. O equipamento é
constituído de uma célula triaxial do tipo
Bishop-Wesley (Bishop & Wesley, 1975), a
qual teve toda a sua instrumentação e
dispositivos mecânicos foram automatizados
por meio de um microcomputador. Dentre os
dispositivos de leitura de valores, estão os
sensores de deslocamento internos (sensores de
efeito hall) e externos, transdutores de pressão e
célula de carga. Já os dispositivos controlados
pelo micro computador são compostos por duas
válvulas proporcionais e um motor de passo,
responsável pela aplicação da tensão desvio.
Para a automatização dos dispositivos, foi
desenvolvido um software com interface
amigável em linguagem VEE, capaz de realizar
as rotinas essências de um equipamento triaxial.
O equipamento é capaz de realizar a percolação,
saturação, adensamento isotrópico e o
cisalhamento de amostras sob trajetórias de
tensões convencionais, descarregamento lateral
e p’ constante. A figura 1 mostra uma visão
geral do equipamento que foi totalmente
desenvolvido durante o estudo.
Figura 1: Visão geral do equipamento construído durante
o estudo.
De maneira geral, o equipamento é capaz de
atender a diferentes materiais geotécnicos,
como solos naturais (argilas moles, areias e
outros), bem como para aplicação em materiais
compósitos, como solos melhorados com
agentes cimentantes e/ou com a adição de
materiais fibrosos.
2.3
Metodologia de ensaio
As amostras foram confeccionadas com
dimensões iguais a 50 mm (diâmetro) por 100
mm (altura), compactadas em 3 camadas. Todas
as amostras seguiram a denominação: CCID ou
PCID – (X) – YYY / ZZZ, onde:
CCID – Ensaio triaxial convencional;
PCID – Ensaio triaxial com p’ constante;
X – Teor de cimento (em %);
YYY – Tensão de cura (em kN/m²);
ZZZ – Tensão efetiva inicial no
cisalhamento (em kN/m²).
Todas as amostras tiveram à umidade e
índice de vazios iniciais fixos. Assim, procurouse obter amostras com um índice de vazios
inicial igual a 0,65 e com teor de umidade de
19%, alcançando assim um grau de saturação
não inferior a 80%.
O processo de cura das amostras foi
realizado dentro da câmara triaxial, onde as
amostras após serem moldadas foram
imediatamente dispostas sobre a base do
equipamento, sendo posteriormente seguidos os
procedimentos padrões para a instalação da
membrana e dos sensores de efeito “Hall”.
Após a montagem do equipamento, foi aplicada
então a tensão de cura. Dois sensores de efeito
“Hall” foram instalados diretamente sobre as
amostras, com o intuito de obter maior precisão
das deformações iniciais (Clayton et al. 1989).
As tensões de cura utilizadas no estudo
foram iguais a 50 kN/m², 250 kN/m² e 500
kN/m² e o tempo de cura adotado foi igual a
48h (tempo necessário para que fosse atingido
80% da resistência a compressão não
confinada). O tempo utilizado em todo o
processo de montagem das amostras sempre foi
inferior a 30 minutos, permitindo assim que o
adensamento da amostra em função da
aplicação da tensão de cura ocorresse antes do
inicio da cura do cimento (Rotta 2005).
Posteriormente a cura, foi então aplicada à
tensão efetiva inicial de cisalhamento, a qual foi
igual a 50 kN/m², 100kN/m² e 250 kN/m². Para
as tensões de 50 e 250 kN/m² foram executados
ensaios do tipo convencional. Já para a tensão
de 100 kN/m², foram realizados ensaios com
uma trajetória de tensões do tipo p’ constante.
Em todos os casos, adotou-se uma velocidade
padrão e igual a 1 mm/h (1% para uma amostra
de 100 mm de altura). Da mesma forma, em
todos os ensaios foi permitida a drenagem
durante a fase de cisalhamento, sendo também
monitorada a poro-pressão durante todo o
ensaio.
3
RESULTADOS
3.1
Comportamento
convencional
sob
cisalhamento
Na figura 2 são apresentados os resultados
obtidos para amostras com um teor de cimento
igual a 1% do peso seco de solo, curadas sob
uma tensão isotrópica de cura igual a 50 kN/m².
O comportamento que pode ser observado
apresenta-se similar ao demonstrado por solos
cimentados (Leoureil & Hight, 2003), onde
durante o cisalhamento, o material sob baixas
tensões de confinamento apresentou um
comportamento com tensão de pico e
deformações volumétricas de expansão
(posterior a ruptura). Observa-se também que a
elevação da tensão de cura e consequentemente,
do nível de confinamento permitiu que uma
elevação da tensão desvio de pico e uma
mudança na rigidez inicial do material.
Também deve ser observado o estágio onde
ocorre a máxima inclinação da curva de
variação volumétrica vs. deformação axial.
Dessa forma, solos com a presença de algum
tipo de cimentação apresentam está máxima
taxa posterior a tensão de pico do solo. Isso
indica que a cimentação encontrada nesses
materiais é capaz de realizar o atraso do efeito
da dilatância encontrado na mecânica dos solos
clássica.
Neste estudo foi observado (resultados não
apresentados aqui) que, após ser alcançada a
máxima tensão desvio, está para grandes
deformações tende a convergir com os
resultados de um solo não cimentado. Esse
processo de desestruturação foi mais acentuado
em amostras que foram submetidas a tensões de
confinamento
durante
o
cisalhamento.
Resultados similares a estes são apresentados na
literatura, podendo-se citar os trabalhos de
Leroueil & Vaughan (1990), Gens & Nova
(1993), Coop & Cuccovillo (1999), Dalla Rosa
et. al (2008).
O efeito da tensão de confinamento ocorre
uma vez que, quando o solo submetido
previamente a um nível de tensão em sua
estrutura, parte da energia aplicada aos grãos é
dissipada na forma de variação volumétrica. Por
outro lado, parte dessa energia é mantida na
forma de atrito entre os grãos, e possibilitando
também a elevação da tensão de pico
concomitantemente com o acréscimo do
módulo secante inicial.
400
q [σa-σr](kN/m²)
300
200
100
0
0
4
8
12
3.2
Comportamento sob cisalhamento com
p’ constante
16
εa (%)
-3
-2
εv (%)
-1
0
4
8
12
0
16
εa (%)
CCID-(1)-50/50
CCID-(1)-250/50
CCID-(1)-250/50
1
2
3
Figura 2: Comportamento tensão-deformação para
ensaios submetidos ao cisalhamento convencional,
curadas sob diferentes tensões de cura.
Avaliando os resultados dos ensaios triaxiais
em relação a mudança do módulo secante, fica
claro que amostras submetidas a cura sob
baixas tensões de confinamento, são capazes de
permitir um acréscimo deste parâmetro. Esse
aspecto pode estar vinculado à redução do
índice de vazios, ao mesmo tempo em que o
efeito que o próprio confinamento apresenta.
5000
CCID-(1)-50/50
CCID-(1)-250/50
Es(MN/m²)
4000
3000
2000
1000
0
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
εa (%)
Figura 3: Influência da tensão de cura sob o ponto de
vista do módulo secante com diferentes níveis de
confinamento na cura.
A figura 3 apresenta os resultados obtidos para
amostras curadas com três diferentes tensões de
cura, e posteriormente cisalhadas sob uma
trajetória de tensões do tipo p’ constante. Uma
trajetória de tensões de descarregamento lateral
(não apresentada aqui) também foi realiza,
porém, não houve a possibilidade de se alcançar
o final do ensaio. Isto ocorreu em função de que
a tensão desvio ter superado a tensão efetiva
inicial de ensaio, impossibilitando assim de o
equipamento concluir o ensaio.
Analisando assim os resultados da figura 3
observa-se que, sob este tipo de trajetória, a
rigidez inicial tem apresentado maiores valores
que as observadas para uma trajetória de
tensões convencional. Identifica-se também que
logo após a ruptura do material, o incremento
de
deformação
volumétrica
aumenta
expressivamente.
Na figura 4 são apresentados os resultados
do módulo secante, encontrados para os ensaios
realizados sob a trajetória de tensões p’
constante. Observa-se da mesma forma com os
resultados para a trajetória de tensões
convencional, uma elevação dos valores de
módulo de acordo com o aumento do nível de
confinamento na cura. Este aumento se dá mais
pronunciadamente para uma tensão de cura
igual a 500 kN/m².
Apesar de os ensaios realizados nas
diferentes trajetórias de tensões, apresentarem
tensões efetivas iniciais serem pouco diferentes
(iguais respectivamente a 50 kN/m² e 100
kN/m² para trajetória convencional e p’
constante), observa-se a diferença dos valores
iniciais do módulo secante.
250
de rigidez inicial superiores aos encontrados
para os ensaios convencionais.
Avaliando a figura 5, onde é apresentado o
caminho percorrido das trajetórias de tensões
durante o cisalhamento, observa-se claramente
que ambas as situações apresentam tensões de
pico, porém para o caso do cisalhamento
convencional, estas são mais pronunciadas.
q [σa-σr](kN/m²)
200
150
100
50
PCID-(1)-50/100
PCID-(1)-250/100
PCID-(1)-500/100
0
0
4
8
12
16
20
εa (%)
400
-4
300
-3
εv (%)
-2
200
CCID-(1)-50/50
CCID-(1)-250/50
CCID-(1)-250/50
PCID-(1)-50/100
PCID-(1)-250/100
PCID-(1)-500/100
-1
0
4
8
12
16
0
20
100
εa (%)
1
0
Figura 3: Comportamento tensão-deformação sob uma
trajetória p’ constante.
12000
PCID-(1)-50/100
PCID-(1)-250/100
PCID-(1)-500/100
Es(MN/m²)
8000
4000
0
0.001
0.01
0.1
1
εa (%)
0
100
200
300
400
Figura 5: Influência da tensão de cura no módulo secante,
para amostras cisalhadas sob uma trajetória do tipo p’
constante.
Por outro lado, constata-se na figura 5 que
em todos os casos, posteriormente alcançada a
tensão de pico, todos os resultados apresentam
uma tendência clara de convergência com os
resultados de um solo não cimentado. Essa
comparação fica mais clara na figura 6, onde
são apresentados os resultados de dois ensaios,
sendo um deles com uma amostra cimentada e
comparada com os resultados de um material
que não recebeu o agente cimentante.
Figura 4: Influência da tensão de cura no módulo secante,
para amostras cisalhadas sob uma trajetória do tipo p’
constante.
As trajetórias do tipo p’ constante
apresentaram valores de rigidez muito
superiores àquelas encontradas para os ensaios
realizados em trajetórias convencionais. Essa
elevação pode ser justificada pela maneira de
como o material é solicitado durante o
cisalhamento, ou seja, quando cisalhado sob
uma trajetória p’ constante, há uma
proporcional
redução
da
tensão
de
confinamento do ensaio durante o cisalhamento,
para que então, seja alcançada a referida
trajetória. Uma vez realizada essa redução, é
natural que o solo cimentado apresente valores
Figura 6: Convergência do comportamento tensãodeformação axial para amostras cimentadas e não
cimentadas.
Entretanto, deve-se observar que a
convergência
ocorre
a
deformações
relativamente
grandes.
A
progressiva
desestruturação do solo cimentado também foi
identificada por Consoli et al. (2000) e Clayton
et al. (1992).
Na figura 7 é apresentada uma análise do
comportamento tensão dilatância para duas
amostras cisalhadas sob a trajetória de tensões
convencional.
Figura 7: Comportamento tensão-dilatância para amostras
cisalhadas sob a trajetória convencional de tensões.
Ao analisar os resultados de dilatância para
amostras cimentadas em comparação ao solo
não cimentado, torna-se evidente que em solos
cimentados, grandes deformações de dano são
necessárias para que ocorra a completa
convergência do comportamento entre o solo
cimentado e não cimentado. Deve-se levar em
consideração também o fato de que, quando
adicionado um agente cimentante ao solo, podese estar criando um novo material, com
características intrínsecas próprias. Assim, é
necessário um estudo de amostras cimentadas
artificialmente, com a prévia desestruturação
mecânica (manual) do material, para que então
seja possível identificar o comportamento
intrínseco. Não foi observado um aumento
expressivo da taxa de dilatação em função do
aumento da tensão de cura.
4
CONCLUSÕES PARCIAIS
A partir dos resultados parciais apresentados
nesse trabalho, é possível chegar as seguintes
conclusões parciais:
O aumento da tensão de cura propiciou um
aumento da tensão de pico, concomitantemente
houve um expressivo aumento da rigidez inicial
para as amostras cisalhadas sob uma trajetória
de tensão convencional.
Quando comparados os valores de módulo
secante entre as duas trajetórias de tensão
apresentadas nesse estudo, houve um aumento
expressivo dos valores iniciais de módulo dos
ensaios sob a trajetória p’ constante em relação
aos ensaios da trajetória convencional.
Foi observado a progressiva desestruturação
em ambas trajetórias de tensões. Essa
desestruturação é mais perceptível para a
trajetória de tensões convencional. Uma
comparação dos resultados de amostras
cimentadas, com e sem desestruturação prévia
ao cisalhamento poderá apresentar uma resposta
mais coerente entre o comportamento de um
solo cimentado e não cimentado.
A análise do comportamento tensãodilatância indicou também que, somente sob
grandes deformações a convergência do
comportamento do solo cimentado ocorre em
relação ao não cimentado. Não houve uma
mudança brusca da máxima dilatância em
relação ao aumento da tensão de cura, aplicada
nas amostras.
AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de prestar agradecimentos
ao projeto PRONEX-FAPERGS (Processo
04/0841.0) e ao CNPq pelo apoio financeiro
concedido no desenvolvimento dessa pesquisa.
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