raquel maciel dos santos dissertaÇÃo submetida ao corpo

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ESTUDO EXPERIMENTAL DA PARCELA VISCOSA NA TENSÃO NORMAL EFETIVA DE SOLO ARGILOSO Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL. Aprovada por: ________________________________________________ Prof. Willy Alvarenga Lacerda, Ph.D. ________________________________________________ Prof. Ian Schumann Marques Martins, D.Sc. ________________________________________________ Prof. Luiz Antônio Bressani, Ph.D. ________________________________________________ Prof. Paulo Eduardo Lima de Santa Maria, Ph.D. ________________________________________________ Prof. Anna Laura Lopes da Silva Nunes, Ph.D. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL JUNHO DE 2006

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Page 1: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

ESTUDO EXPERIMENTAL DA PARCELA VISCOSA NA TENSÃO NORMAL EFETIVA

DE SOLO ARGILOSO

Raquel Maciel dos Santos

DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS

PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS

PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA

CIVIL.

Aprovada por:

________________________________________________ Prof. Willy Alvarenga Lacerda, Ph.D.

________________________________________________ Prof. Ian Schumann Marques Martins, D.Sc.

________________________________________________ Prof. Luiz Antônio Bressani, Ph.D.

________________________________________________ Prof. Paulo Eduardo Lima de Santa Maria, Ph.D.

________________________________________________ Prof. Anna Laura Lopes da Silva Nunes, Ph.D.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

JUNHO DE 2006

Page 2: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

ii

SANTOS, RAQUEL MACIEL DOS

Estudo Experimental da Parcela Viscosa

na Tensão Normal Efetiva de Solo Argiloso

[Rio de Janeiro] 2006

XVII, 95 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc.,

Engenharia Civil, 2006)

Dissertação - Universidade Federal do Rio

de Janeiro, COPPE

1. Adensamento Hidrostático

2. Fluência

3. Viscosidade

4. Velocidade de deformação

5. Tensão normal efetiva

I. COPPE/UFRJ II. Título (série)

Page 3: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

iii

Dedicatória

Dedico este trabalho a minha família,

meus pais e minha irmã,que são

as pessoas mais importantes

da minha vida. Amo vocês.

Page 4: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

iv

AGRADECIMENTOS

Antes de tudo, gostaria de agradecer a Deus por ter me dado saúde e força

para que conseguisse cumprir mais uma etapa feliz e importante da minha vida.

Também devo agradecer a algumas pessoas que, de alguma forma, foram

fundamentais para que eu chegasse até aqui, e com as quais gostaria de dividir este

momento:

Agradeço em especial aos meus queridos pais, minha mãe Denise e meu pai

João, e a minha irmã Clarissa, por todo amor, carinho e atenção, e por me

incentivarem sempre a lutar pelos meus sonhos, sem nunca desistir, por maiores que

sejam as dificuldades. Obrigada por tudo, amo muito vocês.

À minha tia Ana, meu tio Vitor e minhas primas Letícia e Amanda, pessoas

muito queridas, obrigada pelo carinho, afeto, preocupação e incentivo que sempre me

deram. Vocês também tornaram esta caminhada mais feliz.

Aos meus queridos avós, Amaro, Catharina, João e Jandyra, in memoriam, que

certamente estiveram comigo, e que para sempre estarão no meu coração e nas

minhas lembranças.

Ao meu namorado Bruno, pela compreensão, pela presença sempre ao meu

lado, pelo amor e carinho incondicionais que sempre me dedicou. Obrigada por me

fazer feliz e por fazer parte da minha vida. Te amo muito. A querida D. Elizabeth e Sr

José Carlos, pela atenção, carinho e incentivo. A Fê e ao Marcelo pelo afeto e

amizade.

A Felipe, pela alegria, pelo carinho e descontração sempre presentes. É bom

conviver com pessoas como você!

À minha querida e grande amiga Ana Paula Fonseca, que iniciou meus passos

na Mecânica dos Solos, a quem devo muito do que sei, do que aprendi e do que sou

hoje. Minha eterna professora, a quem admiro muito e que vou guardar para sempre

em meu coração. Obrigada pelo incentivo, pelas palavras de conforto, pelos conselhos

e pela alegria e carinho que você dedicou a mim a cada dia.

Page 5: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

v

Ao Leonardo, a quem tenho grande carinho e admiração, obrigada pelas

conversas e pelo incentivo.

A querida amiga Caroline, minha amiga de infância, pelas conversas alegres e

divertidas, pelos conselhos e apoio emocional.

A grande amiga Maria Ciléa, sem você não teria sequer entrado na faculdade!

Seus ensinamentos foram muito importantes para meu sucesso na vida profissional.

Seu amor à profissão e aos alunos são o maior incentivo que tenho para sempre

trabalhar com amor naquilo que escolhemos. Ao Décio, pelo enorme carinho e pela

revisão de português deste trabalho. Muito obrigada!

Ao professor Willy, pela pessoa incrível que é. Sua atenção, sua alegria e

curiosidade a cada descoberta, seus ensinamentos, desde a época de Iniciação

Científica, foram fundamentais para que eu realizasse um grande sonho. Obrigada

pelo grande aprendizado.

Ao professor Ian, de quem tinha “medo” antes de conhecer e que em pouco

tempo descobri ser uma pessoa maravilhosa, com um conhecimento inigualável, e a

quem me orgulho em dizer de que fui aluna. Obrigada por tudo que me ensinou, pela

paciência, carinho e compreensão.

A professora Anna Laura, pelo início de orientação neste trabalho.

À Flávia Santa Maria, por ter me ensinado a trabalhar com o sistema de

aquisição de dados.

Ao Gilberto Alexandre, pelas discussões técnicas e por alguns desenhos que

gentilmente forneceu para este trabalho.

À Luciana Thomasi, que acreditou em mim.

Aos professores da Geotecnia da Coppe, que muito contribuíram para meu

crescimento e aprendizado.

Page 6: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

vi

Aos colegas da geotecnia que tornaram estes momentos felizes, dos quais

ficarei com saudades: Pati, Clara, Marcela, Ana Júlia, Marina, Renílson, Anselmo,

Vitor, Janaína, Marcelo. Ao meu colega de sala Francisco Crescêncio, pelas

conversas divertidas e polêmicas!

Aos técnicos do Laboratório, muito obrigada pelo enorme carinho, atenção e

preocupação que sempre tiveram comigo. Obrigada Serginho, Carlinhos, Mauro,

Ricardo Gil, Salviano e França.

Ao gerente Carlos Alberto Rocha, e as secretárias Marli e Alice, obrigada pela

atenção e pelo carinho!

A Capes, obrigada pelo apoio financeiro.

Page 7: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

vii

Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos

necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)

ESTUDO EXPERIMENTAL DA PARCELA VISCOSA NA TENSÃO NORMAL EFETIVA

DE SOLO ARGILOSO

Raquel Maciel dos Santos

Junho/2006

Orientadores: Willy Alvarenga Lacerda

Ian Schumann Marques Martins

Programa: Engenharia Civil

Este trabalho tem por objetivo contribuir para o desenvolvimento de uma

teoria que permita a compreensão de fenômenos que envolvam a velocidade de

deformação ao longo do tempo, tais como o fenômeno de fluência e o de relaxação de

tensões. Desta forma, buscou-se quantificar a parcela viscosa na tensão normal

efetiva, partindo dos trabalhos de Martins (1992) e Thomasi (2000). Este último

verificou a existência de uma possível parcela viscosa na tensão normal efetiva (σ`v)

conforme proposto por Terzaghi (1941) e Taylor (1942).

A determinação desta parcela viscosa foi feita através de ensaios de

adensamento hidrostático onde, ao final do adensamento primário, a drenagem era

impedida para que fosse observada a evolução dos valores de poropressão. Após a

estabilização da poropressão, a drenagem era então permitida para verificar sua

possível queda ao longo do tempo.

O ensaio de adensamento hidrostático foi realizado em dois corpos de prova,

cujo solo foi fabricado em laboratório, utilizando-se duas células triaxiais. Como fluido

confinante foi utilizado óleo de silicone, ao invés de água deaerada, com a finalidade

de impedir a ocorrência do efeito da difusão.

Page 8: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

viii

Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)

EXPERIMENTAL STUDY OF THE VISCOUS PARCEL ON THE NORMAL

EFFECTIVE STRESS OF CLAY SOIL

Raquel Maciel dos Santos

June/2006

Advisors: Willy Alvarenga Lacerda

Ian Schumann Marques Martins

Department: Civil Engineering

This work has the aim to contribute for the development of a theory which

allows the comprehension of phenomena involving strain rate during time, such as

creep and relaxation of stresses. This dissertation is based on the work of Martins

(1992) and Thomasi (2000). The latter verified the existence of a viscous parcel on the

normal effective stress, as proposed by Terzaghi (1941) and Taylor (1942). In the

present work an attempt was made in order to quantify this viscous parcel.

The viscous parcel on the normal effective stress is determined by hydrostatic

consolidation tests and, at the end of primary consolidation, the drainage was closed to

observe the evolution of the pore-pressure. After the stabilization of the pore-pressure,

the drainage was opened again, to verify its possible decay during time.

The consolidation hydrostatic test was performed on two remolded samples, in

two triaxial cells. Silicone oil was used as a confining fluid, instead of deaired water, to

avoid the effect of diffusion.

Page 9: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

ix

ÍNDICE

Capítulo 1 Introdução ........................................................................................... 1

1.1. Considerações iniciais ........................................................................ 1

1.2. O fenômeno de fluência ...................................................................... 2

1.2.1. O fenômeno de fluência e a realidade .......................................... 2

1.2.2. O fenômeno da fluência drenada e o Princípio das Tensões

Efetivas.......................................................................................... 6

1.3. Objetivo da tese .................................................................................. 8

1.4. Organização da Pesquisa ................................................................... 9

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica ........................................................................ 10

2.1. Alguns trabalhos existentes na literatura ............................................ 10

2.2. Resumo do Modelo Proposto por Martins (1992) ............................... 10

2.2.1. O Princípio das Tensões Efetivas ................................................. 10

2.2.2. O Fenômeno da Viscosidade ........................................................ 13

2.2.3. Cisalhamento dos Solos ............................................................... 14

2.2.4. O Princípio das Tensões Efetivas Expandido ............................... 21

2.2.5. O Círculo de Mohr, a Elipse de Coulomb e a Elipse de Taylor ..... 24

2.2.6. O Critério de Ruptura em Solos .................................................... 26

2.2.7. Ensaios Não Drenados Convencionais ......................................... 26

2.2.8. Ensaios de Creep e de Relaxação de Tensões ............................ 32

2.3. A Parcela da Viscosidade na Tensão Normal Efetiva ......................... 35

2.4. Detalhes do Adensamento Hidrostático na Literatura ........................ 40

2.4.1. Mais uma peça para o modelo de Martins (1992) ......................... 40

2.4.2. Estudos existentes na Literatura ................................................... 42

Capítulo 3 Ensaios de Adensamento Hidrostático .......................................... 46

3.1. Introdução ........................................................................................... 46

3.2. O Solo Estudado.................................................................................. 46

3.3. Equipamentos e Materiais Utilizados .................................................. 48

3.4. Preparação das Amostras.................................................................... 50

3.5. Moldagem do Corpo de Prova ............................................................ 56

Page 10: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

x

3.6. Montagem do Ensaio .......................................................................... 59

3.7. Descrição do Ensaio ........................................................................... 62

Capítulo 4 Resultados e Análises dos Ensaios de Adensamento Hidrostático Realizados ...................................................................

67

4.1. Índices Físicos .................................................................................... 67

4.2. Resultados e Análises dos Ensaios de Adensamento Hidrostático .... 68

Capítulo 5 Conclusões e Sugestões para Futuras Pesquisas ........................ 84

5.1. Conclusões 84

5.2. Sugestões para Futuras Pesquisas 86

Capítulo 6 Referências Bibliográficas ............................................................... 87

Apêndice 1............................................................................................................... 90

Apêndice 2............................................................................................................... 93

Page 11: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

xi

Lista de Figuras

Figura 1.1 – Esquema do esforço de tração no tubo

Figura 1.2 – Oleoduto rompido pelo movimento de fluência do talude (Sandroni, 2004)

Figura 1.3 – Esquema do esforço de compressão no tubo

Figura 1.4 – Oleoduto deslocado pelo movimento de fluência do talude (Sandroni,

2004)

Figura 1.5 – Esquema de um talude infinito com esforços atuantes

Figura 2.3 – Lei de viscosidade de Newton (Martins, 1992)

Figura 2.4 – Tipos de contato nos solos (Modificado de Terzaghi, 1941)

Figura 2.5 – Elemento de goma de mascar e respectivo estado de tensão

Figura 2.6 – Deformação do elemento da goma de mascar

Figura 2.7 – Movimento geral entre os grãos proposto por Garcia (1996)

Figura 2.8 – Equilíbrio numa região de Área A (Martins, 1992)

Figura 2.9 – Variação de µ ao longo do contato através da água adsorvida com

elevada viscosidade (Martins, 1992)

Figura 2.10 – O círculo de Mohr e a elipse de Taylor (Martins, 1992)

Figura 2.11 – Relação em um ensaio ideal: q`x εt e u x εt

Figura 2.12 – Resistência viscosa instantaneamente acionada

Figura 2.13 – Caminhos de estados efetivos de uma família de ensaios não-drenados

Figura 2.14 – Linha de estados críticos para t

ε constante

Figura 2.15 – Os três casos de creep (Martins, 1992)

Figura 2.16 – Esquema de montagem do ensaio de adensamento hidrostático adotado

por Thomasi (2000)

Figura 2.17 – Curva de desenvolvimento da poropressão após o fechamento da

drenagem p`e=90 kPa (Thomasi, 2000)

Figura 2.18 – Curva de desenvolvimento da poropressão após o fechamento da

drenagem p`e=140 kPa (Thomasi, 2000)

Figura 2.19 – Parâmetros de adensamento κ e λ

Figura 3.1 – Placas de aço inox furadas e revestidas por geotêxtil

Figura 3.2 – Cilindro de aço inox com placa furada e disco de geotêxtil na base e tiras

de geotêxtil

Figura 3.3 – Mistura sendo realizada na batedeira do tipo Orbital

Figura 3.4 – Mistura na batedeira Orbital, sem a consistência ideal

Figura 3.5 – Mistura na consistência ideal para a moldagem

Page 12: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

xii

Figura 3.6 – Cilindro completamente preenchido

Figura 3.7 – Amostras moldadas sendo adensadas

Figura 3.8 – Amostra colúvio + bentonita a ser quarteada

Figura 3.9 – Etapa do quarteamento da colúvio + bentonita

Figura 3.10 – Amostra quarteada

Figura 3.11 – Amostra extrudada do cilindro de aço

Figura 3.12 – Corpo de prova no moldador

Figura 3.13 – Corpo de prova no berço

Figura 3.14 – Corpo de prova na base triaxial com dreno helicoidal

Figura 3.15 – Corpo de prova montado na célula triaxial

Figura 3.16 – Foto do Laboratório de Reologia (Coppe/UFRJ), onde foram realizados

os ensaios de adensamento hidrostático

Figura 3.17 – Foto do sistema de aquisição de dados utilizado (Data Logger – HP)

Figura 3.18 – Esquema do caminho de tensões totais e efetivas ao fim do

adensamento primário

Figura 3.19 – Esquema de aplicação da contrapressão no ensaio de adensamento

hidrostático

Figura 3.20 – Esquema do estado de tensões em corpo de prova

Figura 3.21 – Esquema do processo de adensamento às avessas

Figura 4.1 –Etapa de adensamento hidrostático realizado no CP 01

Figura 4.2 – Deformação volumétrica do corpo de prova CP 01

Figura 4.3 – Crescimento da poropressão com a drenagem fechada do corpo de prova

CP 01

Figura 4.4- Etapa de adensamento hidrostático realizado no CP 03 (σc=150 KPa)

Figura 4.5 – Deformação volumétrica do corpo de prova CP 03

Figura 4.6 – Evolução da poropressão após fechamento da drenagem, CP 03

Figura 4.7- Etapa de adensamento hidrostático realizado no CP 04 (σc=65 KPa)

Figura 4.8 – Deformação volumétrica do corpo de prova CP 04

Figura 4.9 - Evolução da poropressão após fechamento da drenagem, CP 04

Figura 4.10– Esquema de montagem dos ensaios monitorados com um transdutor (a)

e com dois transdutores elétricos (b)

Figura 4.11- Evolução da poropressão após fechamento da drenagem, CP 01, CP 03 e

CP 04

Figura 5.1 – Relações e x `vσ para algumas velocidades de deformação

Figura A1.1 – Esquema de tubos do ensaio

Figura A2.1 – Curva de calibração do transdutor 441 (CP 03)

Page 13: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

xiii

Figura A2.2 – Curva de calibração do transdutor 332 (CP 04)

Figura A2.3 - Curva de calibração do transdutor 222 (CP 04)

Page 14: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

xiv

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 – Resumo de caracterização do solo de Catagalo, Bananal (SP) (adaptado

de Garcia, 2005)

Tabela 3.2 – Resumo da caracterização da mistura solo residual + bentonita

Tabela 4.1 - Valores dos índices físicos dos corpos de prova referente aos ensaios de

adensamento hidrostático

Page 15: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

xv

LISTA DE SÍMBOLOS

Letras Romanas Minúsculas:

e = Índice de vazios

i = Ângulo de inclinação do talude

b = Largura do elemento analisado

hw = Altura do nível d’água

v = Velocidade

p = Tensão desviadora

q = Tensão normal principal

wnat = Umidade natural do solo

w0 = Umidade inicial

wf = Umidade final

Letras Romanas Maiúsculas: E = Empuxo devido à terra

Ew = Empuxo devido à água

Gs = Densidade real dos grãos

H = Altura total da camada de solo até a superfície

IP = Índice de plasticidade

K0 = Coeficiente de empuxo no estado de repouso

LL = Limite de liquidez

LP = Limite de plasticidade

M = Inclinação da envoltória de ruptura

N = Força normal

NA = Nível d’água

P = Peso do grão

S0 = Grau de saturação inicial

T = Força de atrito

Uw = Sobrepressão

W = Força peso

Page 16: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

xvi

Letras Gregas Minúsculas:

α = Ângulo que a normal faz com a direção de σ’1

ε1 = Deformação específica principal maior

ε3 = Deformação específica principal menor

εar = Deformação axial estimada na ruptura

φ = Ângulo de atrito do solo

φb = Ângulo de atrito básico do solo

φmob = Ângulo de atrito mobilizado

γ = Distorção

γd = Peso específico seco

γnat = Peso específico natural

γsub = Peso específico submerso

κ e λ = Parâmetros do adensamento

µ = Coeficiente de viscosidade da água adsorvida

σ = Tensão total

σ1 = Tensão principal maior

σ2 = Tensão principal intermediária

σ3 = Tensão principal menor

σc = Tensão confinante

σ’ = Tensão normal efetiva

σ’1 = Tensão efetiva principal maior

σ’3 = Tensão efetiva principal menor

σ’ff = Tensão efetiva normal no plano de ruptura no momento da ruptura

σ’s = Tensão normal efetiva referente à parcela dos grãos sólidos

σ’v = Tensão normal efetiva referente à parcela viscosa

τ = Tensão cisalhante

τf = Tensão cisalhante referente ao atrito

τv = Tensão cisalhante referente à viscosidade

Page 17: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

xvii

Outros Símbolos:

v

ε = Velocidade de deformação volumétrica

dtd s

ε ,•

= Velocidade de deformação cisalhante

dtdγ

= velocidade de deformação cisalhante (distorção)

Page 18: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

1

1 1. INTRODUÇÃO

1.1. Considerações Iniciais

Devido aos escassos estudos existentes na literatura no que diz respeito a

fenômenos que envolvem a velocidade de deformação ao longo do tempo, e à

ausência de um modelo que possibilite a interpretação de resultados de ensaios tais

como de fluência e de relaxação de tensões, decidiu-se contribuir para o

desenvolvimento do modelo proposto por Martins (1992), que busca explicar esses

fenômenos através da ação da viscosidade da água adsorvida nos grãos do solo.

Desta forma, optou-se pela realização de ensaios de adensamento hidrostático,

visando a determinação da parcela viscosa existente na tensão normal efetiva.

Sendo assim, este trabalho dá continuidade à linha de pesquisa em

desenvolvimento no Laboratório de Reologia da COPPE/UFRJ, que busca um maior

entendimento dos fenômenos onde há variação da velocidade de deformação com o

tempo.

CAPÍTULO

Page 19: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

2

1.2. O Fenômeno de Fluência

1.2.1. O fenômeno de fluência e a realidade

O fenômeno de fluência em taludes é um termo utilizado na engenharia

geotécnica para descrever um movimento lento que ocorre a uma velocidade quase

que imperceptível sob carregamento constante. Em outras palavras, é o deslocamento

lento e contínuo de solo sob tensão total constante.

Se o solo é pouco compressível e possui alta permeabilidade, este movimento

se dá em condições essencialmente drenadas, desde que as velocidades de

deslocamento sejam suficientemente baixas (<1m/ano), como é o caso dos colúvios

saturados em regiões tropicais (Lacerda, 2006).

Caso a velocidade seja elevada, haverá geração de poropressão e a fluência

dar-se-á em condições parcialmente drenadas. Com a aceleração do movimento, a

poropressão gerada pode levar o solo a uma situação “não drenada” e romper.

No caso de uma instabilidade existente, com superfície de deslizamento já

formada, o movimento se dá nesta superfície, que divide o solo em duas camadas,

permanecendo estacionária a camada inferior.

Nas encostas naturais, como por exemplo a Serra do Mar, a velocidade média

dos deslizamentos é de 1 a 3 mm/ano (Rodrigues,1992), enquanto que nas línguas

coluviais, com instabilidade já definida, a velocidade média chega a até cerca de 200

mm/ano (Lacerda, 2004).

Como existe variação da posição do lençol freático, estes movimentos sofrem

aceleração quando o mesmo se eleva, e desaceleração quando da estação seca,

podendo mesmo ser praticamente estacionário abaixo de uma certa profundidade do

lençol. Portanto, a velocidade não é uma constante, e sim uma média das velocidades

ao longo de um ano.

Page 20: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

3

Movimentos lentos desta natureza, apesar de imperceptíveis nas suas

primeiras manifestações, têm resultado em acidentes sérios em diversos países como

Brasil, Itália, Japão, entre outros.

A Figura 1.1 abaixo mostra esquematicamente um oleoduto que está assente

ao longo do eixo de uma língua coluvial em movimento de fluência.

Figura 1.1 – Oleoduto assentado no eixo do colúvio em movimento

(Sandroni et al, 2001).

Na parte superior da encosta, o tubo está ancorado em solo residual, que não

se move. O mesmo acontece no pé do colúvio, onde o tubo está também ancorado em

solo resistente. O atrito desenvolvido pelo movimento ao longo do tubo faz com que

surjam tensões de tração no contato superior colúvio /solo residual, e tensões de

compressão na extremidade inferior. Um exemplo deste tipo é descrito por Sandroni et

al (2001), que comenta o acidente ocorrido no Paraná.

Em 2001, um oleoduto perto de Paranaguá rompeu por tração após

deslocamentos de vários centímetros, sendo vinte centímetros registrados nos quatro

meses que antecederam a ruptura, que se deu por “stress corrosion” no tubo. As

Figuras 1.2 e 1.3 mostram a ruptura ocorrida no tubo devido ao esforço de tração. As

Figuras 1.4 e 1.5, logo abaixo, ilustram claramente a deformação sofrida pelo tubo em

um trecho de compressão, próximo ao local onde houve ruptura, em decorrência da

instabilidade do equilíbrio (flambagem).

Page 21: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

4

Figura 1.2 – Esquema do esforço de tração no tubo.

Figura 1.3 – Oleoduto rompido pelo movimento de fluência do talude (Sandroni, 2004).

Figura 1.4 – Esquema do esforço de compressão no tubo.

ruptura

Ft Ft

Fc Fc

Page 22: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

5

Figura 1.5 – Oleoduto deslocado pelo movimento de fluência do talude (Sandroni, 2004).

Um outro exemplo prático é o de um oleoduto (ORBIG) localizado em

Itacuruçá, RJ, que sofreu deslocamentos laterais de quatro metros ao longo de vinte

anos, isto é, um deslocamento de cerca de 200 mm/ano. Neste caso a relocação do

tubo, aliviando as tensões no mesmo, resolveu o problema antes que a ruptura

ocorresse (Freitas, 2004).

A partir de observações realizadas após o fenômeno de ruptura por fluência,

conclui-se que elas ocorrem tanto em taludes naturais quanto em taludes de corte, os

quais permaneceram estáveis por vários anos até que fossem observadas as

primeiras trincas no solo.

A classificação de um talude como estável ou instável é relativa se a variável

tempo for considerada. Uma encosta ou mesmo um aterro que é estável em um dado

período, pode se tornar instável tempos mais tarde, ou pode ainda se encontrar em um

Page 23: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

6

processo de fluência intermitente, isto é, desliza e pára, desliza e pára, sem que entre

na fase de ruptura catastrófica.

Estudos sobre este tipo de instabilidade são fundamentais para uma melhor

compreensão dos movimentos de encostas na medida em que torna possível avaliar

com maior segurança a estabilidade dos taludes, bem como realizar projetos de

escavação com maior confiabilidade.

Além do mais, a análise de um talude com relação à deformação ao longo do

tempo é importante não só para proteção da área que está em sua volta (meio

ambiente), mas também nos casos onde o talude ou mesmo um aterro serve de apoio

para as mais variadas estruturas, como prédios, rodovias, oleodutos, túneis, linhas de

transmissão. Muitas destas estruturas são sensíveis a deformações e podem não

suportar recalques diferenciais.

1.2.2. O fenômeno de fluência drenada e o Princípio das Tensões Efetivas

Um exemplo de aplicação prática que não é explicado pelo clássico Princípio

das Tensões Efetivas enunciado por Terzaghi (1936) é o caso do talude infinito,

representado a seguir na Figura 1.6 com seus esforços atuantes.

Page 24: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

7

Figura 1.6 – Esquema de um talude infinito com esforços atuantes.

Considerando o equilíbrio das forças nas direções normal e tangencial à base

do elemento, pode-se escrever:

( ) iihhhh wwwsatw2' cos]cos[ γγγσ −+−= (1.1)

iihhh wsatw cossen])([ γγτ +−= (1.2)

onde σ` é a tensão normal efetiva e τ é a tensão cisalhante.

Baseado no critério de ruptura de Mohr-Coulomb e considerando um solo sem

coesão, para que o equilíbrio do talude seja satisfeito é necessário que:

'' . φστ tg≤ (1.3)

ib

h hw

N.T.

N.A.

ET

N

UW

T

EW

ET

EW

W

Page 25: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

8

onde φ` é o ângulo de atrito do solo.

Como pode ser observado pelas equações de equilíbrio acima, o efeito da

velocidade de deformação não é considerado.

Como então explicar a movimentação do talude quando a condição de

equilíbrio satisfaz ao critério de ruptura de Mohr-Coulomb? A qual parcela desta

equação deve ser atribuída a movimentação do talude? Todas as vezes que o nível

d’água sobe a velocidade aumenta. Por quê? Essas são perguntas que vêm à mente

de quem se depara com um fenômeno de rastejo em encostas.

Os efeitos cinemáticos não são considerados pelo Princípio das Tensões

Efetivas, de forma que, embora o equilíbrio dos esforços seja matematicamente

satisfeito, no campo esta situação de equilíbrio se dá através do movimento retilíneo

uniforme onde a velocidade é diferente de zero e a aceleração é nula, e não através

da situação de repouso (velocidade zero).

O movimento contínuo de um talude requer uma análise cinemática ao invés

de uma clássica abordagem estática, uma vez que o tempo é uma variável

fundamental assim como a velocidade de deformação. Esta concepção da estabilidade

de taludes não é considerada através do clássico Princípio das Tensões Efetivas,

enunciado por Terzaghi em 1936; daí a necessidade de se desenvolver um modelo

simples e geral para a compreensão de fenômenos que ocorrem com a presença de

uma velocidade de deformação.

Assim observa-se o fenômeno de fluência no campo, e com o objetivo de

avançar na sua compreensão, decidiu-se dar continuidade a esta linha de pesquisa,

contribuindo, desta forma, para o desenvolvimento do modelo proposto por Martins

(1992), ou seja, do Princípio das Tensões Efetivas Expandido, descrito no Capítulo 2.

1.3. Objetivo da Tese

O objetivo deste trabalho é o de contribuir para a busca de uma abordagem

para o fenômeno de fluência, assim como para outros fenômenos dependentes da

velocidade de deformação, através da determinação da parcela viscosa existente na

Page 26: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

9

tensão normal efetiva. Desta forma, partiu-se de trabalhos como os de Martins (1992)

e Thomasi (2000), que verificou a existência de uma parcela viscosa na tensão normal

efetiva (σ`v) conforme proposto por Terzaghi (1941) e Taylor (1942).

Para alcançar o objetivo da pesquisa, foram realizados ensaios de

adensamento hidrostático, com fechamento da drenagem, sem que estes sofressem a

influência do fenômeno da difusão, fenômeno este que se suspeita estar presente,

nos ensaios de Thomasi (2000).

1.4. Organização da Pesquisa

Este trabalho está organizado da seguinte forma:

No Capítulo 2 é feito um resumo do modelo proposto por Martins (1992), sendo

abordados o princípio das tensões efetivas e suas contestações, assim como o

fenômeno da viscosidade na água adsorvida que envolve os grãos sólidos do solo,

segundo a visão de Terzaghi (1941) e Taylor (1942). Também é dada ênfase ao

trabalho de Thomasi (2000), fundamental para a compreensão deste trabalho.

O Capítulo 3 representa a continuidade às linhas de pesquisa existentes que

visam entender os mecanismos como os de fluência e relaxação de tensões nos solos.

São relatados os ensaios de adensamento hidrostáticos realizados, os solos

estudados, os equipamentos e materiais utilizados, a preparação das amostras, a

moldagem dos corpos de prova e a montagem do ensaio. Por último é feita uma

descrição de cada etapa realizada nos ensaios.

No Capítulo 4 são apresentados os resultados dos ensaios realizados durante

a fase de adensamento hidrostático, bem como durante a fase de fechamento da

drenagem para uma determinada velocidade de deformação. Também são feitas as

análises dos resultados obtidos nos ensaios.

No Capítulo 5 são apresentadas as conclusões do trabalho e as sugestões

para futuras pesquisas.

Page 27: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

10

2 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. Alguns Trabalhos Existentes na Literatura

Neste item é feito um resumo de alguns trabalhos que iniciaram esta linha de

pesquisa a respeito do questionamento quanto à validade geral do Princípio das

Tensões Efetivas. Tais trabalhos são de grande importância para o desenvolvimento e

compreensão da presente dissertação.

2.2. Resumo do Modelo Proposto por Martins (1992)

Aqui é feito um resumo dos principais pontos da pesquisa de Martins (1992), a

qual juntamente com o trabalho de Thomasi (2000), descrito no ítem seguinte, servirá

de base para a presente pesquisa.

2.2.1. O Princípio das Tensões Efetivas

O Princípio das Tensões Efetivas, proposto por Karl Terzaghi em 1936, é a

base da Mecânica dos Solos. Tal princípio é composto de duas partes as quais estão

reescritas a seguir.

A primeira parte do Princípio diz que em qualquer ponto de uma seção numa

massa de solo, as tensões podem ser calculadas a partir de tensões principais totais

que agem neste ponto, sendo elas σ1, σ2 e σ3. Caso os vazios do solo estejam

preenchidos por água submetidos a uma pressão u, estas tensões principais totais

consistem de duas parcelas: uma parcela referente à pressão u, que atua na água e

nos grãos sólidos em todas as direções e com igual intensidade, e que é chamada de

pressão neutra. A outra parcela é suportada exclusivamente pelos grãos sólidos do

CAPÍTULO

Page 28: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

11

solo, e representa um excesso sobre a pressão neutra. A esta parcela dá-se o nome

de tensão principal efetiva, e é dada pela diferença entre a tensão principal total e a

pressão neutra u: u−= 1`1 σσ , u−= 2

`2 σσ e u−= 3

`3 σσ .

Desta forma, Terzaghi escreveu a equação fundamental do Princípio das

Tensões Efetivas: u−= σσ ` .

A segunda parte deste Princípio diz que: “Todos os efeitos mensuráveis

oriundos da variação de tensões, tais como compressão, distorção e mudança na

resistência ao cisalhamento, são exclusivamente devidos às variações das tensões

efetivas”.

O Princípio das Tensões Efetivas, tal qual é enunciado, pode levar a

enganosas interpretações e até mesmo a sua negação! Isto pode ser verificado a

seguir, através da contestação dos corolários enunciados por Atkinson e Bransby, em

1978.

Corolário 1: Dois solos com a mesma mineralogia e estrutura terão o mesmo

comportamento, caso estejam submetidos à mesma tensão efetiva.

Contestação 1: O corolário 1 é negado na medida em que dois corpos de

prova do mesmo solo, submetidos a um mesmo estado de tensões efetivas, porém

ensaiados com diferentes velocidades, apresentam comportamentos diferentes (ver

por exemplo Lacerda, 1976).

Corolário 2: Não haverá variação da tensão efetiva, caso um solo seja

carregado ou descarregado, sem que haja qualquer variação de volume ou qualquer

distorção.

Contestação 2: O corolário 2 é contestado através de ensaios não drenados

de relaxação de tensões. Este ensaio ocorre com velocidade de deformação

controlada, onde a prensa é desligada em uma determinada tensão desviadora,

abaixo da tensão de ruptura. A partir daí, o comportamento do corpo de prova é

observado e verifica-se a variação do estado de tensões efetivas, o qual ocorre sem

variação de volume e sem distorção (Lacerda, 1976).

Page 29: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

12

Corolário 3: Caso a poropressão seja isoladamente aumentada ou diminuída,

um solo se expandirá em volume, e portanto se enfraquecerá, ou comprimirá, se

tornando mais resistente.

Contestação 3: Através de ensaios de adensamento unidimensional com

medida de poro pressão, o corolário 3 pode ser contestado. No final do adensamento

primário, ao se fechar a drenagem, tornam-se nulas a variação de volume e a

distorção. Porém, observa-se um crescimento das poropressões, donde conclui-se

que é possível variar a poropressão sem que haja variação de volume do solo (ver por

exemplo Lima,1993).

Através dos corolários enunciados e de suas respectivas negações, conclui-se

que o Princípio das Tensões Efetivas deve ser interpretado exatamente como foi

enunciado, ou seja, se houver variação de volume, distorção, ou variação da

resistência ao cisalhamento, é porque houve variação do estado de tensões efetivas.

Porém, a recíproca não é verdadeira na medida em que, havendo uma variação no

estado de tensões efetivas, não necessariamente ocorre variação de volume ou

distorção.

Ocorre que é justamente a recíproca do Princípio das Tensões Efetivas que

mais interessa à engenharia civil. Em geral, o que se admite na prática da Mecânica

dos Solos é que, dada uma variação do estado de tensões efetivas, há como

conseqüência uma variação do estado de deformações mas, como ilustram os contra-

exemplos acima, esta premissa nem sempre é verdadeira. Desta forma, observa-se

que, do jeito que foi enunciado, o princípio das tensões efetivas tem validade restrita.

Foi observando estas restrições que Martins (1992) notou pontos em comum

entre elas. Esses pontos em comum dizem respeito às velocidades de deformação e

ao efeito do tempo. Assim, a desobediência ao Princípio das Tensões Efetivas ocorre

sempre que estão presentes os efeitos da velocidade de deformação e do tempo. Foi

na tentativa de englobar esses fenômenos num princípio mais amplo, que Martins

(1992) procurou incorporar ao comportamento dos solos a viscosidade.

Desta forma, observa-se que a aplicação do princípio clássico da mecânica dos

solos é restrita, uma vez que deve ser interpretado como foi enunciado. A ele falta

considerar o efeito da velocidade ou o efeito do tempo.

Page 30: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

13

2.2.2. O Fenômeno da Viscosidade

Há três séculos, Newton estabeleceu uma relação entre a resistência viscosa e

a velocidade num fluxo uniforme, dizendo que a tensão tangencial entre as camadas

vizinhas de um fluido em escoamento laminar deve ser proporcional à razão dydv

,

onde a velocidade v varia transversalmente à direção y do fluxo.

A lei de viscosidade de Newton se escreve

dydvµτ =

(2.1)

onde τ é a resistência tangencial ao fluxo e µ o coeficiente de proporcionalidade,

conhecido como coeficiente de viscosidade.

Esta relação está representada a seguir na Figura 2.3.

Figura 2.3 - Lei de Viscosidade de Newton.

v

∆ y

v + ∆ v τ

τ

y

Page 31: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

14

A expressão acima caracteriza o fluxo laminar, no qual, diferentemente do fluxo

turbulento, não ocorre o cruzamento das linhas de fluxo, ou seja, elas permanecem

distintas umas das outras.

Apenas para facilitar a modelagem matemática do fenômeno é utilizado o

conceito de lâminas existentes lado a lado, devendo ser chamada atenção para o fato

de que as camadas não deslizam uma sobre as outras, ou seja, não há atrito

mecânico entre as lâminas.

A resistência viscosa ao cisalhamento nos fluidos ocorre numa escala sub

microscópica, devido à interação entre suas moléculas, quando qualquer porção de

fluido é deformada durante seu movimento.

É importante ressaltar que não pode haver escorregamento ao longo de uma

superfície, no interior da massa fluida, entre duas camadas vizinhas, ou entre um

fluido viscoso e um contorno sólido pois, neste caso, a relação dydv

tende para um

valor infinito, acarretando um conseqüente valor infinito para a resistência viscosa τ.

Portanto, independente da natureza da substância, se um contorno estiver em

repouso a velocidade do fluido que está em contato com o mesmo será nula.

2.2.3. Cisalhamento dos Solos

Terzaghi (1941) chamou a atenção para o fato de que as partículas de argila

são envoltas por uma camada de água adsorvida. Esta água adsorvida, quanto mais

próxima do grão, mais fortemente aderida ao mesmo está, encontrando-se

praticamente no estado sólido. Porém, a medida que vai se distanciando da superfície

do grão, a água adsorvida vai se tornando menos viscosa, até que a partir de uma

certa distância “d” passa a ter propriedades semelhantes às da água comum. Essa é a

água livre que é expulsa durante um ensaio de adensamento.

Page 32: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

15

A distância “d” a partir da qual a água adsorvida passa a ter características

semelhantes a da água livre é função não só de outras substâncias que possam existir

na região de adsorção como também das propriedades químicas dos grãos sólidos.

Os contatos grão a grão podem ser transmitidos através da água adsorvida,

estando ela no estado sólido ou em um estado viscoso. O contato entre os grãos que

se dá através da água no estado sólido é chamado “solid bond”, enquanto que o que

ocorre no estado viscoso é chamado “film bond”. Ambos os tipos de contato

transmitem tensões efetivas. O que chama atenção nesta passagem é a mudança de

concepção da tensão efetiva. Se antes (Terzaghi, 1936) a tensão efetiva era suportada

pelo esqueleto sólido, nesta nova concepção (Terzahghi,1941) a tensão efetiva se

transmite não só através dos contatos sólido-sólido como também através dos

contatos viscosos via água adsorvida.

A ilustração da proposta de Terzaghi se encontra na Figura 2.4.

Figura 2.4 - Tipos de Contato nos solos (Modificado de Terzaghi,1941).

Na visão de Terzaghi (1941), o mecanismo da compressão secundária se dá

da seguinte forma: quando o excesso de poropresão se dissipou, todas as tensões na

argila são tensões efetivas. A partir de então, o estado de tensões efetivas não varia

mais. Não obstante, continua a ocorrer variação de volume. Neste momento, a argila é

dita estar no estado lubrificado, estado este em que parte dos contatos entre os grãos

Page 33: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

16

se dá através da água adsorvida viscosa que envolve os grãos. A variação de volume

observada durante o adensamento secundário é atribuída à expulsão da água viscosa

dos contatos até que se forme um contato do tipo sólido-sólido. Assim, à medida em

que vão se formando os contatos sólido-sólido, os contatos viscosos vão diminuindo

em número e a velocidade de deformação vai caindo. O processo continua até que

todos os contatos se tornem do tipo sólido-sólido, quando então o processo deve

cessar, atingindo o que Terzaghi (1941) chamou de estado solidificado.

O fenômeno descrito acima corresponde ao adensamento secundário, segundo

a visão de Terzaghi (1941). Nesta descrição, o próprio Terzaghi contraria o Princípio

das Tensões Efetivas, uma vez que a compressão secundária ocorre sem que haja

variação das tensões efetivas.

É válido reescrever aqui a segunda parte do Princípio das Tensões Efetivas:

“Todos os efeitos mensuráveis oriundos da variação de tensões, tais como

compressão, distorção e mudança na resistência ao cisalhamento, são exclusivamente

devidos às variações das tensões efetivas”.

Desta forma, é possível perceber que o Princípio das Tensões Efetivas não é

aplicável a toda e qualquer situação, pois uma variação de volume não seria

conseqüência da variação do estado de tensões efetivas. Este é o caso do

adensamento secundário segundo esta visão de Terzaghi (1941).

De forma a ilustrar o fenômeno descrito por Terzaghi, é interessante recorrer a

uma analogia proposta por Garcia (1996): ao se apertar uma goma de mascar, um

material de elevada viscosidade, observa-se que quanto mais rapidamente esta for

apertada, maior é a força aplicada. Disto, conclui-se que a força necessária para

expulsar a goma de mascar do espaço entre os dedos é proporcional à velocidade de

deformação imposta, ou seja, quanto maior for a velocidade, maior será a resistência

viscosa mobilizada e maior será, conseqüentemente, a força necessária para deformar

a goma.

Se em um determinado instante os dedos forem mantidos a uma distância fixa

entre si e sem se movimentarem, será possível observar uma diminuição do valor da

força ao longo do tempo, até que ela se torne zero, ou seja, ocorrerá o fenômeno da

relaxação de tensões.

Page 34: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

17

Por outro lado, se a goma de mascar for apertada até que os dedos se toquem,

a velocidade de deformação se tornará nula, caracterizando um contato do tipo sólido

–sólido.

Garcia (1996) ainda quantifica o fenômeno descrito, conforme mostrado a

seguir.

Considere um elemento da goma de mascar e seu estado de tensão e sua

deformação representados abaixo nas Figuras 2.5 e 2.6, respectivamente.

Figura 2.5 – Elemento de goma de mascar e respectivo estado de tensão.

Figura 2.6 – Deformação do elemento da goma de mascar.

Page 35: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

18

Resolvendo-se as geometrias necessárias e admitindo a goma de mascar

incompressível, tem-se que o deslocamento relativo do ponto A em relação ao ponto D

na direção transversal à direção de AD por unidade de comprimento AD vale a metade

da distorção. Desta forma:

2

22

22

422

22

31 εεδδ

γ −=

⋅−−⋅

=l

(2.2)

onde:

1ε = deformação específica principal maior;

3ε = deformação específica principal menor;

γ = distorção.

Considerando a goma de mascar um material viscoso newtoniano, o fenômeno

pode ser quantificado da seguinte forma:

dtdγµτ ⋅= (2.3)

onde:

τ = tensão cisalhante no plano a 45°;

µ = coeficiente de viscosidade;

dtdγ

= velocidade de deformação cisalhante.

Como a tensão cisalhante no plano a 45° vale 2cσ

, tem-se:

( )dt

ddtd

c31 εε

µγµσ−

⋅=⋅= (2.4)

Considerando-se a hipótese de que a goma de mascar é incompressível

( 0=vε ), tem-se que:

Page 36: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

19

02 31 =+= εεε v (2.5)

21

ε −= (2.6)

Logo,

dtd

dtd

c11

1 32

µε

εµσ ⋅=

+⋅= (2.7)

onde:

vε = deformação específica volumétrica.

A Equação (2.7) pode ser utilizada para explicar o adensamento secundário,

segundo Terzaghi (1941), que ocorre sob tensão efetiva constante, com velocidade de

deformação decrescente.

Garcia (1996) observa que a concepção de Terzaghi (1941) é limitada aos

casos onde os grãos sólidos, tomados como esferas, movimentam-se relativamente

uns aos outros, conforme a direção dos seus centros. A partir dessa observação,

Garcia (1996) propõe um movimento mais geral do que o proposto por Terzaghi

(1941): os deslocamentos relativos podem ser decompostos em componentes normal

e tangencial, com conseqüentes manifestações da parcela viscosa, como mostra a

Figura 2.7. Sendo assim, devido à componente normal, a parcela viscosa deve se

manifestar espremendo a água adsorvida, expulsando-a lateralmente conforme

proposto por Terzaghi (1941). Por sua vez, a componente tangencial do deslocamento

causaria uma distorção dos elementos de água adsorvida fazendo com que surja uma

resistência tangencial de origem viscosa.

Page 37: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

20

Figura 2.7 – Movimento geral entre os grãos proposto por Garcia (1996).

Em 1942, Taylor desenvolveu a Teoria B do adensamento, cuja principal

característica é a suposição de que a resistência estrutural plástica (leia-se viscosa)

nas argilas se deve ao efeito da velocidade de deformação. Ele propõe ainda que na

ruptura, a resistência ao cisalhamento no plano de ruptura de solos normalmente

adensados seja escrita da seguinte forma:

∂∂

+=t

fs sff

εφσ tan' (2.8)

onde 'ffσ é a tensão efetiva normal no plano de ruptura no momento da ruptura e

∂∂tsε

a velocidade de deformação cisalhante.

Page 38: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

21

2.2.4. O Princípio das Tensões Efetivas Expandido

Observe a Figura 2.8 abaixo:

Figu

ra 2

.8 -

Equi

líbrio

num

a re

gião

de

Áre

a A

(Mar

tins,

199

2).

Page 39: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

22

Considerando a Figura 2.8 acima, a partir das equações de equilíbrio

desenvolvidas para um dado elemento de solo, considerado saturado, cujos grãos são

envoltos por uma película de água adsorvida com elevada viscosidade, Martins (1992)

desenvolveu as seguintes equações:

u+= 'σσ (2.9)

dtde s

mobεηφστ )(tan' += (2.10)

onde u é a poro-pressão e η é chamado de coeficiente de viscosidade do solo, função

do índice de vazios, da velocidade de deformação e da temperatura.

Martins (1992) considerou ainda que para deformar esse elemento de solo

consoante o mecanismo concebido, era necessário mobilizar, além da resistência por

atrito, a resistência por viscosidade tal como mostra a equação acima.

O coeficiente de viscosidade da água adsorvida µ varia ao longo do contato

feito por água adsorvida líquida com viscosidade elevada. Quanto mais próxima do

grão a água adsorvida estiver, maior é o coeficiente µ, uma vez que mais fortemente

aderida ao grão ela está. O contrário ocorre, quando a distância ao grão aumenta, o

que faz com que o coeficiente µ tenha valores menores. Isto pode ser observado na

Figura 2.9, a seguir.

O coeficiente de viscosidade do solo η é o valor médio de µ considerando

todos os contatos de natureza viscosa existente na área total A mostrada na Figura

2.8. Assim, por definição, (Martins,1992), o coeficiente η é função do índice de vazios.

Por outro lado, a resistência viscosa mobilizada em cada contato viscoso é

função da velocidade de distorção na água adsorvida da cada contato. Entretanto,

como a água adsorvida viscosa não pode descolar-se do grão sólido, as velocidades

de distorção em cada contato viscoso são os efeitos locais da velocidade de distorção

global de um elemento de solo (no plano do papel), cujos lados são paralelos e

ortogonais à direção PP da Figura 2.8.

Page 40: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

23

No que concerne à resistência viscosa, Martins (1992), Alexandre (2000) e

Santa Maria (2002) mostraram que ela é do tipo não newtoniana, dependendo não só

do índice de vazios como também da própria velocidade de deformação. Sob esse

aspecto, Santa Maria (2002) ainda vai mais adiante, mostrando que os dados

experimentais sugerem a existência de um limite superior para a resistência viscosa.

Figura 2.9 - Variação de µ ao longo do contato através da água adsorvida com

elevada viscosidade (Martins, 1992).

Em 1992 Martins enuncia o Princípio das Tensões Efetivas Expandido, o qual é

composto de duas partes, transcritas a seguir:

Primeira parte: “Em qualquer plano de um elemento de solo saturado no qual

estejam atuando a tensão normal σ e a tensão cisalhante τ, estarão atuando

internamente: como reação à σ a soma (σ’+ u) sendo σ’ a tensão normal efetiva e u a

poro-pressão; e como reação à τ a soma das resistências por atrito e viscosidade”.

Segunda parte: “Toda vez que houver variação da parcela de atrito mobilizado,

haverá deformações cisalhantes e reciprocamente toda vez que houver deformações

cisalhantes haverá variação da parcela de atrito mobilizado (casos não drenados)”.

µ

grão

água adsorvida viscosa

µ no contato viscoso

Page 41: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

24

2.2.5. O Círculo de Mohr, a Elipse de Coulomb e a Elipse de Taylor

A partir do círculo de Mohr, o estado de tensões efetivas em um elemento de

solo, no plano cuja normal faz um ângulo α com a direção de σ’1 é dado por:

ασσσσ

σ 2cos22

`3

`1

`3

`1` −

++

= (2.11)

ασσ

τ 2sen2

`3

`1

−= (2.12)

De acordo com o Princípio das Tensões Efetivas Expandido, a tensão

cisalhante é formada por uma parcela que corresponde ao atrito τf e por outra

correspondente à viscosidade τv, de forma que:

vf τττ += (2.13)

onde

mobf φστ tan`= (2.14)

e

dtd s

vεητ = (2.15)

Martins (1992) mostra que as coordenadas do Círculo de Mohr das tensões

efetivas representam a soma das tensões cisalhantes por atrito e por viscosidade. A

parcela de viscosidade mobilizada é representada por uma elipse, denominada por

Martins (1992) de Elipse de Viscosidade ou Elipse de Taylor. As coordenadas desta

elipse são:

Centro:

+0,

2

`3

`1 σσ

(2.16)

Eixo maior: `3

`1 σσ − (2.17)

Page 42: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

25

Eixo menor: ( )

dtd t 3εεη (2.18)

A Elipse de Viscosidade, cuja ordenada máxima é dada por ( )dt

dV 31

21 εεη −

= ,

e o Círculo de Mohr, estão representados na Figura 2.10.

Fig 2.10 - O Círculo de Mohr e a Elipse de Taylor (Martins,1992).

De acordo com o que foi exposto até aqui, conclui-se que as tensões

cisalhantes devidas à parcela de atrito mobilizado são dadas pela diferença das

ordenadas do Círculo de Mohr e da Elipse de Taylor, de tal forma que será obtida uma

nova elipse, chamada Elipse de Atrito.

A Elipse de Atrito apresenta as seguintes coordenadas:

Centro:

+0,

2

`3

`1 σσ

(2.19)

Eixo Maior: ( )`3

`1 σσ − (2.20)

Page 43: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

26

Eixo Menor: ( )[ ]V2`3

`1 −−σσ (2.21)

É importante ressaltar que a Elipse de Atrito e a Elipse de Taylor não

satisfazem, isoladamente, às condições de equilíbrio, não podendo representar um

estado de tensões. Somente o Círculo de Mohr, cujas ordenadas são a soma das

ordenadas da Elipse de Atrito e da Elipse de Viscosidade, é que satisfaz as condições

de equilíbrio.

Quando as tensões cisalhantes de atrito são nulas, a Elipse de Atrito deixa de

existir e a Elipse de Viscosidade se confunde com o Círculo de Mohr. O contrário

ocorre quando as tensões cisalhantes de viscosidade são nulas. Desta vez é a Elipse

de Taylor que não existe e a Elipse de Atrito é que se degenera no Círculo de Mohr.

2.2.6. O Critério de Ruptura em Solos

Se um ensaio triaxial não drenado for realizado com velocidade de deformação

constante, a parcela referente à resistência por viscosidade é imediatamente

mobilizada e permanece constante ao longo de todo o ensaio. Isto ocorre, porque num

ensaio não drenado convencional, tanto o índice de vazios como a velocidade de

ensaio, permanecem constantes durante todo o ensaio. A medida que o solo continua

a sofrer deformações cisalhantes, a resistência por atrito é que passa a ser mobilizada

até que seu limite seja atingido. Desta forma, quem comanda a ruptura é o atrito.

Graficamente, a ruptura é traduzida pela condição em que a Elipse de Atrito tangencia

a envoltória de resistência.

2.2.7. Ensaios Não Drenados Convencionais

Em um ensaio triaxial não drenado convencional realizado em uma amostra

normalmente adensada, observa-se que a curva q’ x εt ao sair da origem, como

mostrado na Figura 2.11, inicialmente se desloca verticalmente sobre o eixo q’, para

então seguir sua trajetória curvilínea no plano q’ x εt. Este salto, que pode ser

observado com maior clareza no caminho de tensões efetivas (ver Figuras 2.11, 2.12

(a) e 2.12(b)), se deve à mobilização imediata da resistência viscosa V, quando do

acionamento da prensa, permanecendo constante ao longo de todo o ensaio. Neste

Page 44: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

27

instante, é importante ressaltar que tanto a poropressão quanto a deformação

cisalhante são nulas.

Figura 2.11 – Relações em um ensaio ideal: q`x εt e u x εt.

No caminho de tensões efetivas, este salto é dado na reta inclinada a 45° que

parte do ponto referente ao estado de adensamento hidrostático inicial, situado no eixo

p`, até que siga o caminho de tensões efetivas referente à velocidade de deformação

imposta pela prensa, como mostram as Figuras 2.12 (a) e 2.12 (b).

Page 45: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

28

Figura 2.12 (a) – Resistência Viscosa instantaneamente acionada.

Figura 2.12 (b) – Caminhos de tensões dos ensaios CIU do solo coluvionar de Ouro Preto (MG) (adaptado de Fonseca,2000).

Na Figura 2.12 (a) é importante notar que no ponto B a deformação cisalhante

e a poro-pressão são nulas. A partir deste ponto é que começa a ser mobilizada a

resistência por atrito até que, ao chegar ao ponto C, toda a resistência por atrito

disponível já foi mobilizada, havendo então a ruptura.

0

50

100

150

200

250

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

p' (kPa)

q (k

Pa)

300 kPa 500 kPa

Page 46: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

29

A Figura 2.12 (b) é a ilustração de um ensaio convencional do tipo CIU

realizado em um colúvio de Ouro Preto (MG), que representa bem o fenômeno

descrito.

A seguir encontram-se as evidências experimentais sobre as quais Martins

(1992) baseou seu trabalho:

a) Quando ensaiado com velocidade de deformação constante, um solo

normalmente adensado hidrostaticamente sob diferentes tensões efetivas p’e,

apresenta caminhos de tensões efetivas homotéticos, cujo centro de homotetia é a

origem. Esta situação está ilustrada na Figura 2.13;

Figura 2.13 – Caminhos de Estados Efetivos de uma família de ensaios

não-drenados.

Page 47: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

30

b) Na ruptura, para uma determinada velocidade, os ternos ordenados (p`, q`,

v), definem a linha dos estados críticos associada à velocidade •

ε no espaço p` x q` x

v (volume específico);

c) A projeção de uma linha de estados críticos sobre o plano p` x q` é uma reta

passando pela origem, como pode ser visto na Figura 2.14.

Figura 2.14 – Linha de Estados Críticos para t

ε constante.

d) Os gráficos q` x εt e u x εt são semelhantes para qualquer valor da tensão

hidrostática de adensamento, dado um valor de velocidade de deformação •

ε .

As bases teóricas que nortearam o trabalho de Martins (1992) são:

a) Validade do Princípio das Tensões Efetivas Expandido;

Page 48: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

31

b) O processo de ruptura é regido pelo fenômeno do atrito, o que graficamente

ocorre quando a elipse de Coulomb tangencia a envoltória de ruptura de Mohr-

Coulomb de inclinação φb no plano τ x σ’;

c) Em uma família de ensaios não drenados com velocidade de deformação •

ε

constante, o coeficiente que dá a resistência por viscosidade é uma função linear da

tensão de adensamento hidrostático p’e;

d) A resistência por viscosidade normalizada em relação à p’e denotada por C0

é função da velocidade de deformação •

ε ;

e) Os caminhos de tensões efetivas, as curvas q x εt e u x εt podem ser

representados por uma única curva normalizada em relação à p’e , para uma

determinada velocidade de deformação •

ε ;

f) De acordo com Martins (1992), o ângulo de atrito efetivo φ’ da mecânica dos

solos clássica é, portanto, um ângulo de atrito aparente, pois seu valor está

influenciado pela resistência viscosa. A resistência viscosa será tanto maior quanto

maior for a velocidade de deformação •

ε , o que conduz a um maior valor do ângulo de

atrito φ’. Assim, por variar de acordo com a velocidade de deformação, o ângulo de

atrito φ’ não pode ser considerado como uma propriedade do solo (ver também Bishop

e Henkel, 1962, pp. 26-31);

g) Descontando-se a resistência viscosa, obtém-se o ângulo de atrito básico do

solo φb que não depende da velocidade de deformação e que assim pode ser

considerado como uma propriedade do solo;

h) A partir de evidências experimentais, é possível afirmar que, para um

determinado caminho de tensões totais, as poropressões não dependem da

velocidade de deformação, dependem apenas da deformação cisalhante (Lacerda,

1976);

i) Para cada estado inicial de adensamento hidrostático, existem linhas de

mesmo atrito mobilizado, cuja inclinação é de 45° no plano p’ x q’. Os pontos a elas

Page 49: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

32

pertencentes apresentam o mesmo valor de atrito mobilizado e de deformação

cisalhante;

j) A poro-pressão é função da deformação cisalhante, da tensão de

adensamento e do acréscimo de tensão principal menor ∆σ3.

A tendência dos caminhos de tensões efetivas mudarem bruscamente sua

inclinação, de positiva para negativa, indicam a mobilização da viscosidade, ocorrendo

antes de qualquer deformação e geração de poropressão.

Devido ao fenômeno da resistência por viscosidade, todos os caminhos de

tensão apresentam, rigorosamente, tangentes inclinadas de 45° no início do ensaio.

2.2.8. Ensaios de Fluência e de Relaxação de Tensões

Os ensaios convencionais de fluência são aqueles em que a tensão desviadora

é mantida constante ao longo do tempo, após o corpo de prova ter sido submetido a

um adensamento hidrostático. No decorrer do ensaio as deformações cisalhantes, a

poropressão e o tempo são monitorados.

Nos ensaios de relaxação de tensões, na etapa de cisalhamento, que ocorre

após o adensamento hidrostático, a prensa é desligada numa determinada

deformação cisalhante para que o comportamento do corpo de prova seja observado.

Através dos resultados dos ensaios de fluência realizados por Lacerda (1976)

na argila da Baía de San Francisco, Califórnia (San Francisco Bay Mud), verificou-se

que todos os pontos que estavam sob uma mesma linha de atrito mobilizado

apresentavam os mesmos valores de deformação cisalhante, poropressão e ângulo de

atrito mobilizado.

Ainda considerando os resultados obtidos na argila da Baía de São Francisco,

foi verificada a obtenção de uma curva única té

xpq ε'

'

, através da normalização das

curvas q’ x εt em relação à pe’, para uma mesma velocidade de ensaio

tε .

Page 50: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

33

Para uma melhor compreensão dos fenômenos de fluência e de relaxação de

tensões, é importante a compreensão da Lei de Taylor, traduzida a seguir:

“A hipotética explicação que se segue a respeito da resistência viscosa e das

relações com o tempo, foi apresentada pela primeira vez por Taylor em 1942 para

compressões unidimensionais, mas pode ser estendido para o comportamento das

argilas no cisalhamento. Se uma amostra de argila drenada for mantida sob qualquer

estado de tensão que não cause ruptura, aos poucos ela vai alcançar uma deformação

cisalhante e um índice de vazios no qual ocorre um equilíbrio estático. Eras podem ser

necessárias para que o equilíbrio ocorra, porém, ao ser alcançado, as tensões

aplicadas são iguais à resistência estática interna, tendo valores livres da resistência

viscosa e dos efeitos do tempo. Entretanto, durante a aproximação do equilíbrio, as

tensões aplicadas são constituídas pela parcela de atrito e pela parcela de

viscosidade. A resistência viscosa depende principalmente da velocidade de

deformação, embora possivelmente também dependa de fatores como tipo e grau de

adsorção. Quando uma amostra de argila se aproxima do equilíbrio estático, a

velocidade de deformação diminui assim como a magnitude da resistência viscosa;

entretanto, a velocidade de deformação pode ser muito pequena quando a parcela da

viscosidade ainda estiver muito elevada e as deformações e o índice de vazios ainda

terem muito que variar antes que o equilíbrio seja alcançado”.

O fenômeno descrito acima pode ser aplicado tanto a carregamentos drenados

como a não drenados.

A partir das idéias de Taylor expostas acima, Martins (1992) enunciou a Lei de

Taylor Generalizada, transcrita abaixo:

“Um solo submetido a um estado de tensões onde as tensões cisalhantes

sejam resistidas por viscosidade e por atrito procurará ao longo do tempo resistir

internamente às tensões cisalhantes apenas por atrito”.

Fluência não drenada é o fenômeno de deformação ao longo do tempo sob

condições não drenadas, que ocorre quando o estado de tensões totais permanece

constante. Como a tensão desviadora qc` é mantida constante ao longo do tempo, de

acordo com a Lei de Taylor, a resistência por viscosidade aos poucos é transferida

Page 51: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

34

para atrito. No decorrer desta transferência há aumento da deformação cisalhante,

inicialmente zero.

Graficamente, na fluência não drenada ocorre a expansão da elipse de atrito,

com a conseqüente diminuição da elipse de viscosidade, até que a elipse de atrito se

degenere no Círculo de Mohr.

O fenômeno de fluência é análogo ao fenômeno de adensamento. Enquanto no

adensamento a transferência se dá da poropressão para tensão efetiva, na fluência há

transferência da resistência viscosa para atrito.

Existem três casos de fluência que podem ocorrer, os quais podem ser

observados na Figura 2.15: no primeiro deles a resistência viscosa, que é provocada

pela existência de uma velocidade de deformação, é toda transferida para atrito. Este

atrito necessário para “suprir” toda a parcela da viscosidade é menor que o atrito

mobilizado disponível, o que permite que o fenômeno de fluência cesse. No processo

de transferência de viscosidade para atrito, a velocidade de deformação vai diminuindo

até chegar a zero, quando o fenômeno cessa.

No terceiro caso, o atrito mobilizado disponível não é suficiente para que seja a

ele transferido todo o valor da tensão cisalhante, sendo necessário manter uma

parcela de viscosidade ativa. Neste caso, após se esgotar a resistência por atrito, a

velocidade de deformação é mantida e as deformações crescem indefinidamente com

o tempo, o fenômeno não acaba. É a ruptura por fluência.

O segundo caso ocorre, quando o atrito necessário para eliminar a parcela da

viscosidade é igual ao atrito mobilizado disponível. Nestas condições não há ruptura,

ou pode-se dizer que a ruptura se dá no tempo infinito, uma vez que o solo deve

romper com velocidade de deformação zero. O solo é estável para um tempo infinito.

Page 52: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

35

Figura 2.15 – Os três casos de creep (Martins, 1992).

Relaxação de tensões em um ensaio não drenado é o fenômeno da variação

do estado de tensões ao longo do tempo onde o estado de deformação é mantido

constante ao longo do tempo. Na etapa de cisalhamento, que ocorre após a fase de

adensamento hidrostático, a prensa é desligada em uma determinada deformação

cisalhante para que a poropressão e a tensão desviadora sejam observadas com o

tempo. No decorrer do tempo, observa-se uma queda no valor da tensão desviadora,

devido à velocidade de deformação zero. Neste caso, a resistência viscosa é zero,

existindo apenas a parcela referente ao atrito.

2.3. A Parcela da Viscosidade na Tensão Normal Efetiva

Um aspecto não levado em conta por Martins (1992) foi a possível existência

de uma parcela viscosa na tensão normal efetiva nos moldes idealizados por Terzaghi

(1941) e Taylor (1942).

Visando verificar a existência da parcela viscosa na tensão normal efetiva,

Thomasi (2000) realizou ensaios de adensamento hidrostático medindo a poro-

pressão durante o processo de adensamento e após o fechamento da drenagem.

Page 53: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

36

É importante dizer que o adensamento hidrostático é um processo gradual que

se dá sob um estado hidrostático de tensões, onde há variação de volume através da

expulsão de água dos vazios do solo, com transferência de poropressão para a tensão

normal efetiva.

Em seu estudo Thomasi (2000) admite quatro premissas básicas:

a) Validade da equação do princípio das tensões efetivas u−= σσ ` ;

b) A tensão efetiva `σ , consoante o mecanismo descrito por Terzaghi (1941) e

Taylor (1942), pode ser escrita como ```vs σσσ += , sendo `

sσ a parcela da tensão

efetiva que se transmite através dos contatos sólidos e `vσ a parcela que se transmite

através dos contatos viscosos;

c) `sσ é função exclusiva do índice de vazios;

d) `vσ é função do índice de vazios, da velocidade de deformação volumétrica

específica ( v

ε ) e da temperatura.

Baseando-se nas hipóteses acima, Thomasi (2000) observa o seguinte: como

no fim do adensamento primário as poropressões são aproximadamente iguais a zero,

durante a etapa seguinte, a do adensamento secundário, só podem existir tensões

efetivas. Porém, durante o adensamento secundário, a velocidade de deformação

volumétrica é diferente de zero, o que aumenta a suspeita da existência da parcela

viscosa na tensão normal efetiva, além da parcela referente aos contatos do tipo

sólido, conforme proposto por Taylor (1942). Considerando-se o item (c) das

premissas acima, ao se fechar a drenagem não pode haver variação do índice de

vazios, o que faz com que `sσ a partir daí não varie. Além do mais, a drenagem

fechada impede que haja uma velocidade de deformação volumétrica, de forma que

vv e εσ ,' cai a zero. Para que a equação ( ) uee vvs +

+=

εσσσ ,`' seja atendida, é

Page 54: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

37

necessário que a parcela de poropressão aumente de um valor correspondente à

queda de

vv e εσ ,' no instante imediatamente anterior ao fechamento da drenagem.

Todo este raciocino desenvolvido baseado nas hipóteses preliminares, é

estudado experimentalmente por Thomasi (2000) através de ensaios de adensamento

hidrostático realizados em amostras uniformes fabricadas em laboratório. Estas

amostras foram produzidas com o auxílio de uma batedeira do tipo orbital, a partir da

mistura (em peso) de 20% de bentonita, 80% de caulim e água destilada, num

processo que durou cerca de 8 horas. Os ensaios foram realizados em laboratório com

temperatura controlada. Visando uma maior acurácia das medidas de deformações e

resistências, Thomasi (2000) utilizou corpos de prova de 7,0 cm de diâmetro e 14,0 cm

de altura, com free-ends. Na Figura 2.16 abaixo, está ilustrado o esquema de

montagem dos corpos de prova utilizados pelo autor citado, de modo a permitir a

determinação do valor da poropressão no centro da base do corpo de prova.

Figura 2.16 – Esquema de montagem do ensaio de adensamento hidrostático adotado por Thomasi (2000).

Page 55: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

38

Algumas conclusões observadas por Thomasi (2000) a partir dos resultados

dos ensaios realizados, encontram-se a seguir.

Thomasi (2000) observa que quanto maior a velocidade de deformação

volumétrica no momento do fechamento da drenagem, maior é a poropressão gerada,

e quanto maior a tensão de adensamento maior também é o valor da poropressão

gerada.

Figura 2.17 – Curva de desenvolvimento da poropressão após o fechamento da drenagem p`e=90 kPa (Thomasi, 2000).

Page 56: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

39

Figura 2.18 – Curva de desenvolvimento da poropressão após o fechamento da drenagem p`e=140 kPa (Thomasi, 2000).

Tudo isto está de acordo com a hipótese da existência de uma parcela viscosa

na tensão normal efetiva pois, no final do adensamento primário, onde u é

aproximadamente zero, a tensão hidrostática total aplicada é: ( )

+=

vvs ee εσσσ ,'' .

No adensamento secundário, onde ocorre uma velocidade de deformação, embora

baixa, a parcela viscosa estará presente. Entretanto, ao se fechar a drenagem a

velocidade de deformação cai para zero, anulando o termo

εσ ,` ev cujo valor tem

que ser transferido para alguma outra parcela. Uma vez que não há mais variação de

volume, não há como o valor desta parcela ser transferido para σs’, que é função

exclusiva do índice de vazios. Sendo assim, a única parcela capaz de receber este

valor é a poropressão, ou seja, há uma transferência da parcela de tensão efetiva

viscosa para a poropressão. Desta forma, ao se fechar a drenagem, espera-se que a

poropressão cresça e estabilize no valor de `vσ que havia no momento do fechamento

da drenagem e que ocorra um aumento da poropressão tanto maior quanto maior for o

valor da velocidade de deformação no fechamento da drenagem.

Page 57: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

40

Ao se fechar a drenagem, a velocidade de deformação global se torna igual a

zero. Porém, a transferência de `vσ para u não se dá de forma instantânea uma vez

que, localmente, os elementos de água viscosa só param de se deformar quando a

velocidade de distorção local for zero. Espera-se que este processo ocorra com uma

acomodação interna dos grãos, que ora se aproximam, ora se afastam, de modo que a

variação da deformação volumétrica seja nula. É ao longo deste processo de

acomodação, que se torna cada vez mais lento a medida em que o equilíbrio vai

sendo alcançado, que a poropressão vai aumentando.

Thomasi (2000) conclui ainda que a temperatura influencia o processo de

transferência, fazendo que este se desenvolva mais rapidamente, quanto mais

elevada for a temperatura. Isto está de acordo com a hipótese do mecanismo viscoso

já que quanto maior a temperatura, menor é a viscosidade.

Devido a não estabilização das poropressões ao longo do tempo, é provável

que nos ensaios realizados por Thomasi (2000), tenha ocorrido difusão de água

através da membrana de borracha para o interior do corpo de prova. Desta forma, é

necessário eliminar o efeito da difusão dos ensaios de adensamento hidrostático,

visando obter resultados sem sua interferência no fenômeno em questão.

2.4. Detalhes do Adensamento Hidrostático na Literatura

Neste item do Capítulo 2 é feita uma breve pesquisa a respeito da evolução do

modelo proposto por Martins (1992), já somada a contribuição dada por Thomasi

(2000). Peças estão sendo acrescentadas ao modelo de forma a torná-lo completo, ou

seja, torná-lo capaz de explicar o mecanismo tensão-deformação-tempo. Ainda neste

item é feita uma breve revisão a respeito da tentativa de outros autores em

compreender o fenômeno de fluência através de ensaios de adensamento hidrostático.

2.4.1. Mais uma peça para o modelo de Martins (1992)

A partir das equações de equilíbrio desenvolvidas para um dado elemento de

solo, como proposto por Martins (1992) (Figura 2.5), e considerando a existência de

Page 58: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

41

uma parcela viscosa na tensão normal efetiva, aspecto importante tratado por Thomasi

(2000), Martins (2006) reescreve tais equações de equilíbrio para um elemento de solo

saturado e sem cimentação, como mostrado abaixo:

( ) ue vs +⋅+=•

εησσ ' (2.22)

ou

uvs ++= '' σσσ (2.23)

onde

'sσ = parcela da tensão efetiva correspondente aos contatos sólido-sólido;

'vσ = parcela viscosa da tensão normal efetiva.

Uma maneira de se verificar a validade do mecanismo proposto por Terzaghi

(1941) é realizar ensaios de adensamento hidrostático fechando-se a drenagem após

a dissipação do excesso de poropressão, quando então ( )

+=

vvs ee εσσσ ,'' . Ao se

fechar a drenagem mantendo a tensão total constante, a parcela da tensão efetiva

referente aos contatos sólido-sólido não pode variar, já que o solo está saturado e a

água e os grãos sólidos são admitidos incompressíveis, e portanto o índice de vazios é

constante. Se a drenagem for fechada para uma dada velocidade de deformação

diferente de zero (durante o adensamento secundário), a parcela da viscosidade não

podendo ser transferida para a parcela correspondente aos grãos sólidos, só pode ser

transferida para a poropressão. Desta forma, a poropressão evolui até estabilizar no

valor correspondente à parcela da tensão efetiva viscosa no momento imediatamente

anterior ao fechamento da drenagem. Se a drenagem for mantida aberta, o

adensamento secundário se processa com a formação cada vez maior de contatos

sólidos, ou seja, com cte=σ e com u = o, ( )es`σ aumenta,

vv e εσ ,` diminui e v

ε

diminui. Assim, quanto mais tardiamente for fechada a drenagem, menores serão os

valores de v

ε e 'vσ e portanto, menor será o valor da poropressão a ser medida.

Este processo é acompanhado de uma acomodação interna dos grãos, ora se

afastando, ora se aproximando, mantendo sempre a velocidade de deformação

Page 59: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

42

volumétrica igual a zero. É de se esperar que este tempo de acomodação seja tanto

menor, quanto mais próximo da configuração final o conjunto de grãos estiver.

A mobilização da tensão efetiva viscosa, porém, ocorre instantaneamente uma

vez que depende apenas que a velocidade de deformação seja ativada,

independentemente da configuração do conjunto de grãos.

Desta forma, espera-se que ao reabrir a drenagem, após tê-la mantido fechada

por um tempo, a poropressão caia a zero de imediato e que, ao fechá-la novamente,

ela retorne ao seu valor anterior ao da reabertura em muito menos tempo do que levou

anteriormente.

2.4.2. Estudos existentes na Literatura

Arulanandan et al (1971), com o objetivo de estudar o comportamento não

drenado das argilas, realizaram ensaios de fluência não drenada na San Francisco

Bay Mud. Tais ensaios ocorreram em estágios de 30%, 50%, 70% e 90% da tensão de

ruptura, a qual foi obtida através de ensaios triaxiais não drenados.

De forma a garantir a homogeneidade do material ensaiado, foram realizados

ensaios de raio-X nas amostras e selecionadas aquelas que se mostraram mais

homogêneas.

Os ensaios de fluência foram realizados com temperatura controlada a 23°C

(+/- ½) e em células triaxiais. A saturação dos corpos de prova se deu através da

aplicação de uma contrapressão no valor de 100 kPa. O processo de adensamento

ocorreu sob tensões que variaram de 50 a 400 kPa, durante um período de 30 horas.

Para evitar o fenômeno de difusão de moléculas de água do fluido confinante,

utilizado para o interior do corpo de prova, foram utilizadas duas membranas de

borracha, entre as quais foi passada graxa de silicone.

Os ensaios de fluência duraram duas semanas, ou menos no caso de haver

ruptura durante este período. Nas amostras que não romperam, foram feitos ensaios

de resistência até ocorrer a ruptura, com uma velocidade de deformação igual à

utilizada nos ensaios de resistência que precederam os ensaios de fluência.

Page 60: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

43

A ruptura ocorreu por embarrigamento do corpo de prova, seguido então pela

formação do plano de cisalhamento. A ruptura súbita não foi observada em nenhum

dos ensaios de fluência realizados.

Arulanandan et al (1971) também observaram que, para estágios de tensão

menores, a relação de poropressão versus log tempo apresentou-se curva, enquanto

que para estágios mais elevados tal relação é reta e segue em direção à poropressão

crítica, aquela em que ocorre a ruptura.

Roscoe et al (1963) tentaram prever os caminhos de tensão para ensaios de

resistência não drenada e ensaios de fluência a partir da linha de estados críticos.

Sugeriram que existe uma relação entre p e q durante o “escoamento” de uma argila,

que pode ser obtida através de ensaios de fluência. Em sua teoria, foi introduzida uma

correção em termos de energia baseado no equilíbrio energético, resultando na

seguinte equação:

pppMq e

0log1

⋅=

λκ

(2.24)

onde:

M = inclinação da envoltória de ruptura;

λ = `log pv

∆∆

( no trecho de compressão virgem, Figura 2.19);

κ = `log pv

∆∆

(no trecho de recompressão, Figura 2.19);

Figura 2.19 – Parâmetros de adensamento κ e λ.

v

p`(ln)

λ

κ 1

1

Page 61: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

44

p0= tensão de adensamento;

p = tensão octaédrica;

q = tensão desviadora.

O aumento de poropressão nos ensaios de fluência não drenado realizados por

Arulanandan et al (1971) não pode ser previsto por Roscoe et al (1963) através da

consideração da energia, conforme suposto inicialmente. Desta forma, observa-se que

existem outros fatores que podem ser responsáveis pelo aumento da poropressão

durante os ensaios de fluência não drenados.

Visando compreender o aumento da poropressão em um estado hidrostático de

tensões, que não pode ser previsto do modo sugerido por Roscoe, Arulanandan et al

(1971) realizaram ensaios de adensamento hidrostático com fechamento de

drenagem.

Arulanandan et al (1971) verificaram que a poropressão cresce ao longo do

tempo sob condições hidrostáticas de tensão, e que sua velocidade de crescimento

diminui até que seja alcançado um valor de equilíbrio. Eles supuseram então que este

fenômeno foi possivelmente causado pelos efeitos do adensamento secundário,

observando que o grau de adensamento secundário influencia no valor do crescimento

da poropressão: quanto menor for o grau de adensamento secundário, menor é o

crescimento da poropressão.

Relatos das conseqüências do adensamento secundário, através do

impedimento da drenagem após o adensamento primário são raros (e os são ainda

hoje).

Bjerrum et al (1958) observaram o aumento da poropressão em amostras

submetidas a condições não drenadas durante um mês após o adensamento, mas

eles atribuíram este aumento a prováveis vazamentos no sistema.

Campanella (1965) também observou um aumento da poropressão em

amostras da San Francisco Bay Mud e de ilita, mas não comentou as prováveis

causas para tal aumento.

Page 62: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

45

Young (1968) e Kaldveer (1964) atribuíram este aumento de poropressão,

observado em amostras da San Francisco Bay Mud submetidas a condições

hidrostáticas e não drenadas, ao fenômeno de adensamento secundário.

Walker (1969) também atribuiu ao adensamento secundário o crescimento da

poropressão observado na argila de Leda, no Canadá.

Page 63: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

46

3 3. ENSAIOS DE ADENSAMENTO HIDROSTÁTICO

3.1. Introdução

Conforme sugerido por Thomasi (2000), o objetivo da realização dos ensaios

de adensamento hidrostático da presente dissertação é o de quantificar a parcela

viscosa existente na tensão normal efetiva sem a interferência do processo de difusão.

Nos ensaios de Thomasi (2000), embora se tenham confirmado os resultados

previstos de acordo com o mecanismo preconizado por Terzaghi (1941) e Taylor

(1942), após 15 dias de crescimento contínuo da poropressão, com a taxa de variação

em relação ao tempo

dtdu

cada vez menor, não se conseguiu atingir um valor final

estável da poropressão. O provável motivo disto não ter ocorrido foi atribuído à difusão

da água através das membranas de látex. Com a diferença de pressão existente entre

a água da câmara e a poropressão do corpo de prova ao fim do adensamento há a

possibilidade, em ensaios de longo prazo, da passagem de moléculas de água, por

difusão, através da membrana de látex. Assim, como sugestão para futuras pesquisas,

e para eliminar a possibilidade de difusão foi que Thomasi (2000) recomendou realizar

este tipo de ensaio utilizando óleo de silicone como fluido confinante. Foi levando em

conta a sugestão de Thomasi (2000) que se resolveu usar, neste trabalho, óleo de

silicone como fluido confinante.

3.2. O Solo Estudado

O solo utilizado para a fabricação das misturas a serem ensaiadas no

adensamento hidrostático é coluvial, proveniente do município de Bananal (SP), do

bairro de Cantagalo. Foi utilizada amostra do tipo deformada, a qual foi coletada para

CAPÍTULO

Page 64: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

47

o estudo de uma outra tese de mestrado (Garcia, 2005), cujo objetivo era verificar a

influência da qualidade da compactação dos reaterros na capacidade de carga de

fundações submetidas a esforços de tração. A escolha por este solo se deu pela

quantidade de amostra deformada existente no laboratório, em torno de 60 kg, e por já

ter sido caracterizado e estudado por outros autores.

A seguir, na Tabela 3.1, encontra-se um resumo dos resultados de

caracterização completa do solo de Bananal obtidos por Garcia.

Tabela 3.1 – Resumo da caracterização completa do solo de Cantagalo, Bananal (SP) (adaptado de Garcia, 2005).

Areia (%)

Silte (%)

Argila (%) Gs

wnat (%)

LL (%)

LP (%)

IP (%)

23 5 72 2,695 10,0 84 32 52

De acordo com o sistema Unificado de Classificação este solo é classificado

como CH, argila de alta plasticidade.

Foram realizados ao todo 4 ensaios de adensamento hidrostático identificados

pelas siglas CP 01, CP 02, CP 03 e CP 04. Os corpos de prova CP 01 e CP 02 foram

moldados a partir do adensamento de uma amostra desse solo previamente preparada

numa umidade equivalente a 1,5 vezes a do limite de liquidez. Já os corpos de prova

CP 03 e CP 04 foram moldados a partir do adensamento de uma mistura do mesmo

solo coluvionar + 10% de bentonita (tomados em relação ao peso seco do solo

coluvionar) com a umidade equivalente a 1,5 vezes a do limite de liquidez do solo

coluvionar. A bentonita foi utilizada com a finalidade de acentuar as características do

adensamento secundário.

Na Tabela 3.2 encontram-se as características da mistura solo coluvionar +

10% de bentonita usada para o preparo dos corpos de prova CP 03 e CP 04.

Tabela 3.2 – Resumo da caracterização da mistura solo residual + bentonita

Gs LL (%)

LP (%)

IP (%)

2,679 144 31 113

Page 65: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

48

3.3. Equipamentos e Materiais Utilizados

Para o adensamento das amostras a partir das quais foram moldados os

corpos de prova foram utilizados cilindros de aço inox, usinados no próprio laboratório

de Geotecnia da COPPE, com diâmetro interno de 15,0 cm e altura de 30,0 cm.

Para o adensamento da mistura, duas placas de aço inox com pequenos furos

sobre as quais foram colocados discos de geotêxtil não tecido (bidim OP-40) com

diâmetro de 15,0 cm foram utilizadas no topo e na base de cada cilindro, como pode

ser visto na Figura 3.1. Para acelerar o adensamento foram colocadas oito tiras de

geotêxtil dispostas em forma octogonal, igualmente espaçadas, na lateral dos dois

cilindros, conforme Figura 3.2.

Figura 3.1 – Placas de aço inox furadas e revestidas por geotêxtil.

Page 66: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

49

Figura 3.2 – Cilindro de aço inox com placa furada e disco de geotêxtil na base e tiras de geotêxtil.

Um pendural de aço foi utilizado para a aplicação das cargas necessárias ao

processo de adensamento da mistura.

Para o ensaio de adensamento hidrostático foi utilizada uma célula triaxial de

acrílico, com capacidade de 800 kPa de fabricação da Wykeham Farrance.

Duas membranas de borracha foram utilizadas em cada corpo de prova,

previamente testadas para verificar a existência de possíveis furos, assim como

elásticos e graxa de silicone, passada entre as membranas. Pedras porosas foram

colocadas no topo e na base do corpo de prova, após terem sido fervidas para a

eliminação de bolhas de ar.

Foram utilizados ainda transdutores de poropressão da Ashcroft com

capacidade de 1000 kPa, os quais foram calibrados através do manômetro de

mercúrio, e buretas para a medição da variação volumétrica com resolução de 0,2

cm3. As curvas de calibração dos transdutores de poropressão utilizados no presente

trabalho, encontram-se no Apêndice 2.

Page 67: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

50

3.4. Preparação das Amostras

Visando obter amostras homogêneas e garantir a saturação, decidiu-se fabricar

os corpos de prova a serem utilizados nos ensaios de adensamento hidrostático.

Para a preparação da amostra, o solo seco ao ar foi destorroado e passado na

peneira #10 (2mm), de modo a impedir que grãos de quartzo sedimentassem no fundo

do recipiente de mistura, podendo deixar as amostras heterogêneas, ou que furassem

a membrana de borracha, comprometendo o ensaio.

Ao destruir a estrutura original do solo e homogeneizá-lo, eliminam-se, além

dos problemas causados pela heterogeneidade, problemas referentes ao

amolgamento do material quando da sua amostragem e transporte.

A mistura de solo + água destilada usada para a confecção dos corpos de

prova CP 01 e CP 02, foi calculada baseada em uma vez e meia o valor do limite de

liquidez do solo, obtendo-se uma proporção de 7,5 x 103 gf de solo para 7,87 l de água

destilada, a ser distribuído em dois cilindros de aço inox cujo volume é de 5,30 x 103

cm3, cada.

A mistura foi realizada em uma batedeira do tipo Orbital. O solo era sempre

misturado na água com a batedeira desligada de modo a se evitar a perda do material,

e sempre em pequenas quantidades, a fim de evitar a formação de grumos no fundo

do recipiente. A Figura 3.3 mostra a mistura sendo feita na batedeira orbital, em

movimento.

Page 68: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

51

Figura 3.3 – Mistura sendo realizada na batedeira do tipo Orbital.

Após ter sido misturado todo solo na água, desmancharam-se com as mãos

todos os grumos formados. A batedeira foi então ligada permanecendo assim, até que

a mistura obtivesse a consistência ideal para ser levada aos cilindros de aço, ou seja,

não tão fluida a ponto de ocorrer um extravasamento pelas paredes do cilindro ao ser

colocada a carga, nem tão consistente a ponto de serem formadas bolhas de ar

quando no lançamento nos cilindros.

A seguir na Figura 3.4, apenas por curiosidade, encontra-se uma foto da

mistura que, por descuido, passou do ponto da consistência ideal para a moldagem

devido à perda de umidade, e que teve que ser novamente dosada.

Page 69: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

52

Figura 3.4 – Mistura na batedeira Orbital, sem a consistência ideal.

A mistura de consistência ideal apresenta uma coloração bastante homogênea

e não tem grumos dispersos na massa, como mostra a Figura 3.5. Desta mistura

foram retiradas três cápsulas para a determinação da umidade.

Figura 3.5 – Mistura na consistência ideal para a moldagem.

A mistura final foi então colocada nos dois cilindros de aço, por colheradas

intercaladas, de modo a serem preenchidos homogeneamente evitando-se a formação

Page 70: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

53

de bolhas de ar na massa. Ambos os cilindros foram preenchidos até o topo, como

mostra a Figura 3.6. Os cilindros foram levemente batidos sobre a bancada para

acomodar a mistura, de modo a eliminar possíveis vazios formados no interior da

massa.

Figura 3.6 – Cilindro completamente preenchido.

Sobre o topo da mistura foi colocada placa de aço furada com um disco de

bidim e ainda um pendural onde foram aplicadas as cargas para o adensamento, que

ocorreu sob uma tensão de 30KPa. Na Figura 3.7 vêem-se as duas amostras

moldadas no cilindro sendo adensadas, um processo que durou cerca de 15 dias. O

controle do adensamento foi feito através da verificação do recalque sofrido pelo “top

cap” com o auxílio de uma régua milimetrada.

Durante este período de adensamento, teve-se o cuidado de regar sempre o

topo das amostras com água destilada deixando na parte superior uma lâmina de

água, de modo a preservá-las saturada.

Page 71: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

54

Figura 3.7 – Amostras moldadas sendo adensadas.

Devido a acidentes que ocorreram nos ensaios de adensamento hidrostático,

realizados nos corpos de prova CP 01 e CP 02, os quais serão comentados adiante,

uma segunda mistura diferente da anterior foi preparada. Com o único objetivo de

acentuar as características do adensamento secundário, ou seja, torná-las mais

marcantes e visíveis graficamente, foi adicionado 10% de bentonita ao colúvio de

Cantagalo. O colúvio foi tratado do mesmo modo que na mistura descrita acima, ou

seja, destorroado e passado na peneira #10 (2mm). A quantidade de água adicionada

foi obtida da seguinte forma: ao peso seco de bentonita foi adicionada uma quantidade

de água necessária para levá-la ao limite de liquidez (LL ≅580%) e ao peso seco de

colúvio uma quantidade de água necessária a levá-lo a 1,5 vezes o limite de liquidez.

Com as quantidades de água assim calculadas, em função dos pesos de bentonita e

de colúvio a serem usados, descontavam-se as umidades já existentes nos dois tipos

de solo, obtendo-se finalmente a quantidade de água a ser adicionada à mistura.

De modo a homogeneizar o solo antes mesmo de ser levado à batedeira orbital

e misturado à água destilada, foram feitas seis etapas de quarteamento no colúvio de

Cantagalo com a bentonita. Algumas fotos deste processo de quarteamento são

mostradas a seguir, nas Figuras 3.8 a 3.10.

Page 72: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

55

Figura 3.8 – Amostra colúvio + bentonita a ser quarteada.

Figura 3.9 – Etapa do quarteamento do colúvio + bentonita.

Page 73: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

56

Figura 3.10 – Amostra quarteada.

Tendo-se homogeneizado o “novo” solo colúvio + bentonita, este é levado à

batedeira orbital, seguindo-se as mesmas observações e cuidados que foram

dispensados à mistura anterior.

3.5. Moldagem do Corpo de Prova

Terminado o processo de adensamento unidimensional, deu-se início ao

processo de extração da amostra para a moldagem dos corpos de prova.

Após feito o descarregamento da amostra, o cilindro de moldagem foi apoiado

sobre outros dois cilindros menores para que a amostra fosse extrudada. Como a

umidade estava elevada, em torno do L.L, a amostra saiu do cilindro facilmente,

envolta pelas tiras de geotêxtil, como mostra a Figura 3.11.

Page 74: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

57

Figura 3.11 – Amostra extrudada do cilindro de aço.

A amostra foi colocada sobre papel celofane para preservar a umidade, e então

retirados os drenos de geotêxtil. Iniciou-se a moldagem dos corpos de prova com o

auxílio de uma faca e de um fio de aço.

O topo da amostra foi removido, sendo o corpo de prova moldado a partir de

sua base, permitindo que o corpo de prova tivesse umidade mais uniforme em seu

interior.

Um paralelepípedo de amostra foi obtido com dimensões aproximadas de 17

cm de altura e 10 cm de aresta na base (quadrada) e levado ao moldador para ser

moldado em um cilindro de 7 cm de diâmetro, como mostra a Figura 3.12.

Page 75: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

58

Figura 3.12 – Corpo de prova no moldador.

Cuidadosamente e com o auxílio de um papel celofane, o corpo de prova foi

levado para o berço, de modo a se obter a altura de 14 cm, e posteriormente pesado.

A Figura 3.13 mostra esta etapa de moldagem.

Figura 3.13 – Corpo de prova no berço.

Durante o processo de moldagem, foram retiradas três cápsulas para a

determinação da umidade.

Page 76: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

59

Ainda envolto no papel celofane, o corpo de prova foi assentado sobre o

pedestal da célula triaxial.

3.6. Montagem do Ensaio

O corpo de prova foi assentado sobre a pedra porosa colocada no pedestal da

célula triaxial, o qual foi previamente saturado.

Como os ensaios são de longa duração, e de modo a evitar o processo de

difusão, foram utilizadas duas membranas de borracha para envolver o corpo de

prova, entre as quais foi passada graxa de silicone. As membranas de borracha foram

presas ao “top cap” e ao pedestal da célula triaxial através de elásticos.

Foi colocado um tubo de drenagem helicoidal de plástico flexível no “top cap” o

qual passa por fora do corpo de prova e é conectado à base da célula triaxial através

de engates “rápidos”. Este dreno foi conectado ao “top cap” e à base da célula já

saturada, e pode ser visto na Figura 3.14.

Figura 3.14 – Corpo de prova na base triaxial com dreno helicoidal.

Page 77: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

60

A campânula de acrílico foi então colocada sobre a base da célula triaxial,

sendo posteriormente aparafusada e preenchida com óleo de silicone, também com o

objetivo de evitar a difusão, como mostra a Figura 3.15.

Figura 3.15 – Corpo de prova montado na célula triaxial.

Um transdutor de poropressão e uma bureta foram instalados na base da

célula triaxial de modo a serem obtidas as poropressões e as variações volumétricas,

respectivamente, ao longo do ensaio.

Apenas para ilustração, na Figura 3.16 encontra-se uma foto do laboratório

com os dois corpos de prova sendo ensaiados, bem como o sistema de aquisição

automática de dados utilizado, mostrado na Figura 3.17.

Page 78: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

61

Figura 3.16 – Foto do Laboratório de Reologia (Coppe/UFRJ), onde foram

realizados os ensaios de adensamento hidrostático.

Figura 3.17 – Foto do sistema de aquisição de dados utilizado (Data Logger – HP).

Page 79: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

62

3.7. Descrição do Ensaio

Os ensaios de adensamento hidrostático, realizados sob temperatura

controlada de 19°C, consistem de três etapas: saturação, adensamento e fechamento

da drenagem.

A primeira etapa consiste na verificação da saturação dos corpos de prova com

a obtenção do parâmetro B de Skempton. Nos corpos de prova CP 01 e CP 02 a

contrapressão aplicada foi de 25 KPa e o parâmetro B obtido em ambos foi de 0,997,

assegurando a saturação. Os corpos de prova CP 03 e CP 04 foram submetidos a

uma contrapressão de 100 e 150 kPa, respectivamente, a qual foi aplicada em

estágios de 50 kPa. Cada estágio teve duração de 24 horas. Para que não houvesse

variação de volume ou distorção, foi aplicada uma tensão confinante com mesma

magnitude da contrapressão.

Inicialmente, foi aplicado ao CP 04 uma contrapressão de 100 kPa. Porém,

como o parâmetro B de Skempton obtido foi de 0,87, indicando a não saturação do

corpo de prova, ao contrário do CP 03, cujo parâmetro foi de 0,98 (bem próximo a 1),

decidiu-se aumentar a magnitude da contra-pressão para 150 kPa. A dificuldade de se

verificar um parâmetro B de Skempton próximo a um, embora o corpo de prova

estivesse saturado, ocorreu devido a não consideração do efeito de amostragem do

corpo de prova, como é descrito a seguir.

Para ilustrar todo esse processo após o adensamento unidimensional da

mistura sob σ`v = 30 kPa, suponha que o coeficiente de empuxo no repouso da

amostra seja K0=0,5. Isto posto, a tensão octaédrica efetiva (σ`oct) ao fim do

adensamento primário é de 20 kPa, e os estados de tensões totais e efetivas nesse

instante serão dados respectivamente pelos pontos A e A` da Figura 3.18.

Page 80: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

63

Figura 3.18 – Esquema do caminho de tensões totais e efetivas ao fim do adensamento primário na moldagem.

A retirada da amostra do molde corresponde a uma amostragem perfeita (não

– drenada) durante a qual a tensão octaédrica efetiva se mantém. Assim, os caminhos

de tensões totais e efetivas correspondentes a esta operação serão, respectivamente,

AB e A`B` quando a amostra apresenta σ = 0, σ` = σ`oct = 20 kPa e u = - 20 kPa. É

possível (e provável) que durante a moldagem do corpo de prova σ`oct caia um pouco

mais, fazendo com que a poropressão aumente do mesmo valor. Se a queda em σ`oct

for por exemplo de 5 kPa, durante a moldagem e montagem do corpo de prova, os

caminhos de tensões totais e efetivas serão, respectivamente, BC e B`C`(Figura 3.18)

e o corpo de prova, antes da aplicação da contrapressão, se encontrará nas condições

da Figura 3.19.

Page 81: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

64

Figura 3.19 – Esquema de aplicação da contrapressão no ensaio de adensamento hidrostático.

Imediatamente após a aplicação da tensão confinante de 50 kPa com a linha

de drenagem que sai do topo do corpo de prova fechada, o estado de tensões no

corpo de prova passa a ser (caso o solo esteja saturado) o da Figura 3.20.

Figura 3.20 – Esquema do estado de tensões em corpo de prova.

σ = 50 kPa

σ = 50 kPa

u = 35 kPa

σ `= 15 kPa u = 35 kPa

u =

Page 82: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

65

Aplicando-se agora pela linha de drenagem ligada ao topo do corpo de prova

uma contra-pressão de 50 kPa, inicia-se um processo de adensamento às avessas,

cuja situação inicial é a da Figura 3.21 b e cuja situação final é a da Figura 3.21c.

(a) (b) (c)

Figura 3.21 – Esquema do processo de adensamento às avessas.

Com isso reconhece-se que, além de tirar partido das Leis de Boyle e Mariotte

e de Henry com o uso da contra-pressão para fins de saturação, provocou-se um

efeito que foi o inchamento do corpo de prova durante o processo de saturação.

Embora o processo descrito não seja prejudicial aos objetivos deste trabalho,

reconhece-se que ele pode se tornar inadequado para os objetivos de outros ensaios.

No Capítulo 5, Conclusões e Sugestões para Futuras Pesquisas, voltar-se-á a esta

questão.

Com o fim da etapa de saturação, inicia-se o processo de adensamento dos

corpos de prova. Visando diminuir a anisotropia que possa ter sido causada durante o

processo de adensamento unidimensional, os corpos de prova foram adensados sob

uma tensão hidrostática cerca de duas vezes superior à tensão vertical efetiva usada

no adensamento de preparo da amostra.

σ = 50 kPa

σ = 50 kPa

topo

base

u = 50 kPa

u = 35 kPa

u = 50 kPa

Page 83: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

66

Durante o processo de adensamento primário, foram feitas no tempo, medidas

de poro-pressão e de variação volumétrica através de, respectivamente, um transdutor

de poropressão e uma bureta.

No final do adensamento primário, ou seja, quando o excesso de poropressão

se tornava aproximadamente igual a zero, a drenagem era então fechada para que

fosse registrada a evolução da poropressão, objetivo desta dissertação. Quando a

poropressão durante a fase não drenada se tornava constante, a drenagem era

novamente aberta e mantida assim até que se observasse uma diminuição

significativa da velocidade de adensamento secundário, quando então, a drenagem

tornava a ser fechada e a evolução da poropressão observada.

É necessário destacar ainda que, para tentar garantir a poropressão igual a

zero ao longo de todo o corpo de prova, a drenagem foi feita pelo topo e a poro

pressão medida na base.

Page 84: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

67

4 4. RESULTADOS E ANÁLISES DOS ENSAIOS DE ADENSAMENTO HIDROSTÁTICO REALIZADOS

4.1. Índices Físicos

A Tabela 4.1 apresenta os índices físicos dos corpos de prova no início dos

ensaios de adensamento hidrostático.

Tabela 4.1 - Valores dos índices físicos dos corpos de prova referentes aos ensaios de adensamento hidrostático

Corpo

de prova G e0

γd

(kN/m3)

γnat

(kN/m3)

w0

(%)

S0

(%)

CP 01 2.695 2,02 8,74 15,75 80,17 100

CP 02 2.695 1,95 8,97 16,05 79,01 100

CP 03 2.679 2,37 7,80 15,13 94,06 100

CP 04 2.679 2,37 7,81 15,05 92,72 100

A densidade real dos grãos, no caso dos corpos de prova CP 03 e CP 04, foi

determinada na mistura colúvio + bentonita, tendo valor pouco inferior aos outros dois

corpos de prova, que consistiam somente em colúvio.

É importante ressaltar, que o material usado na confecção dos corpos de prova

CP 01 e CP 02 é diferente do material usado para a moldagem do CP 03 e CP 04.

Como esclarecido anteriormente, os CP 01 e CP 02 foram moldados a partir do

adensamento de uma amostra de colúvio. Já os corpos de prova CP 03 e CP 04 foram

moldados a partir do adensamento de uma amostra de colúvio + bentonita. O peso

seco de bentonita adicionada foi correspondente a 10% do peso seco do colúvio

utilizado. A esta mistura, após pré-homogeneização pelo quarteamento, foi adicionada

CAPÍTULO

Page 85: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

68

uma quantidade de água destilada necessária a sua homogeneização na batedeira

orbital.

A isto se devem as diferenças entre os valores dos índices físicos dos dois

primeiros corpos de prova em relação aos dois últimos, na Tabela 4.1.

Os valores do grau de saturação discriminados na Tabela 4.1 foram todos

ligeiramente acima de 100%, tendo sido arredondados para tal valor. Supõe-se que

estes pequenos erros sejam devidos à película de água que porventura tenha ficado

na superfície das porções de solo, restantes da moldagem e utilizados para a

determinação da umidade.

Por outro lado, há que se registrar também erros na determinação do índice de

vazios provenientes da hipótese de se admitir a forma do corpo de prova como sendo

a de um cilindro exato.

Como o grau de saturação é função tanto do índice de vazios como da

umidade, é de se esperar que os erros cometidos tanto em um quanto em outro, se

reflitam nos valores calculados para o grau de saturação.

4.2. Resultados e Análises dos Ensaios de Adensamento Hidrostático

Nas Figuras 4.1 a e 4.1 b, são apresentadas as curvas de dissipação da poro-

pressão

0uub para o corpo de prova CP 01. Daqui por diante usar-se-á a notação ub

para o excesso de poro-pressão registrada em qualquer tempo do adensamento

primário, e u0, para o excesso de poropressão registrado no tempo zero também do

adensamento primário. Há que se registrar ainda, que essas medidas de poropressão

foram determinadas na base do corpo de prova.

Na Figura 4.2 é mostrada a curva deformação volumétrica versus tempo (log).

Page 86: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

69

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04

tempo (min - log)

u b/u

0

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

1.0E+03 1.0E+04

tempo (min - log)

u b/u

0

Figura 4.1- Etapa de adensamento hidrostático realizado no CP 01 (σc=150 kPa).

(a)

(b)

(σc=150 kPa)

Page 87: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

70

-25

-20

-15

-10

-5

01.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04

tempo (min - log)

Def

orm

ação

vol

umet

rica

(%)

Figura 4.2 – Deformação volumétrica do corpo de prova CP 01.

Em cerca de três dias, o corpo de prova CP 01 chegou ao fim do adensamento

primário, atingindo valores de poropressão próximos a zero e deformação volumétrica

máxima de 23%.

Alcançado o fim do adensamento primário, a drenagem foi então fechada para

a observação do desenvolvimento das poropressões, as quais alcançaram valores de

até 8 KPa, cerca de 5% da tensão de adensamento (σc=150 kPa), como mostra a

Figura 4.3.

Page 88: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

71

-2.00

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

0 5000 10000 15000 20000

tempo (min)

Poro

-pre

ssão

(kPa

)

Figura 4.3 – Crescimento da poro- pressão com a drenagem fechada do corpo de

prova CP 01.

Na Figura 4.3 observa-se o crescimento da poro-pressão após o fechamento

da drenagem, quando a velocidade de deformação volumétrica

vε era de 1,91 x 10-4

%/min.

Após cerca de 1170 min de ensaio (aproximadamente 20 horas), nota-se que a

poropressão começa a oscilar apresentando uma amplitude máxima de 2,5 kPa. Como

a oscilação se mostrou permanecer no tempo sem ultrapassar a amplitude de 2,5 kPa,

após cerca de 11000 min, decidiu-se abrir a drenagem para executar mais um período

de observação do adensamento secundário. Aberta a drenagem, a dissipação do

excesso de poropressão ocorreu rapidamente e em menos de 24 horas, foi registrado

um excesso de poropressão igual a zero, permanecendo este valor durante três dias.

Nota-se que o tempo decorrido entre o momento de abertura da drenagem e o

momento em que se registrou a primeira poropressão zero foi muito menor do que o

tempo necessário para o crescimento e estabilização da poropressão após o

fechamento da drenagem. Essa queda brusca de poropressão está de acordo com o

modelo e corresponde à mobilização da parcela viscosa da tensão normal efetiva.

Abertura da drenagem

Page 89: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

72

O ensaio do corpo de prova CP 01 passou a ser duvidoso, quando foram

observadas bolhas de ar no dreno helicoidal. Decidiu-se verificar novamente o

parâmetro B e constatou-se que este parâmetro estava em torno de 0,8, ou seja, havia

bolhas de ar no sistema. Ao ser desmontado o ensaio, foi feita uma inspeção na linha

de drenagem e verificado que além de água, havia óleo de silicone no dreno, que

provavelmente entrou através dos engates “rápidos”.

Devido a este problema, decidiu-se interromper o ensaio sem fechar pela

segunda vez a drenagem, que ocorreria a uma velocidade de deformação volumétrica

de dez vezes inferior à anterior. Também não foi aplicado um incremento de tensão

para a segunda etapa de adensamento do corpo de prova. O corpo de prova CP 02 apresentou problemas logo no começo da etapa de

adensamento. Após cerca de 900 min (aproximadamente 15 h), submetido a uma

tensão de adensamento de 100 kPa, começou a entrar água no corpo de prova, num

processo que durou cerca de 4 dias e em um volume de cerca de 4 cm3. Ao ser

desmontado o ensaio, verificou-se um vazamento na base da célula através de trincas

existentes, as quais não tinham sido observadas anteriormente. Por esta razão, não

são apresentados os resultados referentes a este corpo de prova. Não foi observado

óleo de silicone na linha de drenagem.

Visando acentuar as características do adensamento secundário dos corpos de

prova ensaiados, decidiu-se adicionar 10% de bentonita aos CP 03 e CP 04. Devido à

adição de bentonita, o corpo de prova CP 03 levou cerca de 70 dias para alcançar o

fim do adensamento primário, tempo bem superior ao ocorrido no CP 01, alcançando

uma deformação volumétrica de cerca de 23%. As Figuras 4.4 e 4.5, a seguir,

mostram os resultados obtidos no processo de adensamento do CP 03.

Page 90: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

73

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06

tempo (min - log)

u b/u

0

Figura 4.4- Etapa de adensamento hidrostático realizado no CP 03 (σc=50 KPa).

-25.0

-20.0

-15.0

-10.0

-5.0

0.01.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06

tempo (min - log)

Def

orm

ação

vol

umet

rica

(%)

Figura 4.5 – Deformação volumétrica do corpo de prova CP 03.

É importante ressaltar mais uma vez que a adição de pequena quantidade de

bentonita (10%) foi o suficiente para aumentar o tempo do adensamento primário do

CP 03, em cerca de 20 vezes ao observado no CP 01.

(σc=50 kPa)

Page 91: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

74

Um outro aspecto que diferencia as curvas das Figuras 4.4 e 4.5, é o fato de

que a Figura 4.4 mostra a dissipação do excesso de poropressão normalizada

0uub

na base do corpo de prova, ou seja, trata-se de uma medida local, ao passo que a

curva da figura 4.5, que dá a deformação volumétrica ao longo do tempo, revela uma

medida associada a todo o corpo de prova. Esta é a razão que faz com que tais

curvas, embora sejam ambas de adensamento, apresentem formatos diferentes, uma

mais suave que a outra.

Deve-se chamar atenção para o fato de que as curvas das Figuras 4.4 e 4.5

estão associadas a uma tensão de adensamento de 50 kPa. Mesmo após 70 dias de

adensamento, a poropressão na base ainda era da ordem de 1,5kPa. A porcentagem

de adensamento local (na base do corpo de prova) era de 97%, enquanto que a

porcentagem média era de 98%. Como o prazo para o adensamento se estendeu

muito além das expectativas, resolveu-se fechar a drenagem nesta condição.

No momento do fechamento da drenagem, a velocidade de deformação era de

8,19 x 10-6 %/min. A evolução da poropressão a partir daí foi monitorada durante

40 000 min, e está mostrada na Figura 4.6.

Figura 4.6 – Evolução da poropressão após fechamento da drenagem, CP 03.

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

0 20000 40000 60000 80000 100000

tempo (min)

Poro

-pre

ssão

(kPa

)

Temperatura 23°C

Temperatura 22°C

Page 92: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

75

Conforme esperado, a poropressão cresce paulatinamente até se estabilizar,

também como esperado. O valor da estabilização foi cerca de 6 kPa. Levando-se em

conta que a poropressão partiu de cerca de 1,5 kPa, conclui-se que seu crescimento

observado durante o período de 40 000 min, foi de cerca de 4 kPa, o que representa

8% em relação à tensão de adensamento.

Isto significa que, de acordo com o modelo apresentado no Capítulo 2, para a

velocidade de cerca de 8,0 x 10-6 %/min, 8% de 50 kPa da tensão de adensamento

(tensão efetiva) seriam atribuídos à parcela viscosa dessa mesma tensão efetiva.

Nota-se também da Figura 4.6, que o fenômeno da difusão não se fez presente

como se suspeitou nos resultados de Thomasi (2000), porque a poro-pressão

estabilizou. Também não houve nenhuma perturbação devido à variação da

temperatura, já que esta foi mantida em 19 ºC, durante todo este período de 40 000

min.

Outro aspecto relevante é o fato do aumento da poro-pressão variar de acordo

com a Equação 4.1:

( )euudtdu

−−= λ (4.1)

onde:

u = acréscimo de poropressão desenvolvida durante o período de drenagem

fechada;

ue = poropressão de estabilização;

λ = constante de proporcionalidade.

A Equação diferencial (4.1) tem como solução geral a seguinte equação:

et ueCu +⋅= −λ

1 (4.2)

A Equação 4.2 também está representada junto com os dados experimentais

na Figura 4.6, até o tempo de 40 000 min, e sua expressão numérica é:

Page 93: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

76

( ) 8,51,4410044,1 +−=

−− txetu

Após 40 000 min, a drenagem foi aberta e observou-se que a poro-pressão na

base do corpo de prova retornou ao valor que tinha ao fim do adensamento primário

num tempo de cerca de 1000 min, ou seja, num tempo 40 vezes menor do que levou

para alcançar a estabilização em cerca de 6 kPa.

Daí em diante, o corpo de prova levou mais 10 000 min para dissipar os cerca

de 1,5 kPa ainda remanescentes do adensamento primário.

Observam-se também entre 50 000 e 55 000 min, dois picos na poro-pressão

devidos à elevação acidental da temperatura, que subiu de 19 ºC para,

respectivamente, 23º C e 22ºC.

Até cerca de 72 000 min, a drenagem foi mantida aberta quando a velocidade

de deformação volumétrica era de 1,6 x 10-6 %/min. Neste momento, a drenagem foi

novamente fechada, observando-se o mesmo padrão de comportamento verificado no

período de 0 a 40 000 min.

Espera-se agora, consoante o modelo, que ao ser fechada a drenagem com

uma velocidade de deformação cinco vezes inferior à anterior, a poro-pressão se

estabilize num valor inferior ao observado anteriormente.

Isto é sugerido, pelo fato do crescimento da poropressão nesta segunda fase

ter subido 1,5 kPa em 10 000 min, ao passo que na primeira fase, durante os 10 000

primeiros minutos após o fechamento da drenagem a poropressão ter subido cerca de

2,5 kPa (ver Figura 4.6).

Por último, resta assinalar o caráter oscilatório dos valores registrados de poro-

pressão o que será discutido mais adiante.

As Figuras 4.7 e 4.8 mostram os resultados obtidos no processo de

adensamento do CP 04.

Page 94: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

77

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05

tempo (min - log)

u b/u

0

65 kPa canal 107 65 kPa canal 102

efeito da temperatura (23 °C)

Figura 4.7- Etapa de adensamento hidrostático realizado no CP 04 (σc=65 KPa).

-25.0

-20.0

-15.0

-10.0

-5.0

0.01.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05

tempo (min - log)

Def

orm

ação

vol

umet

rica

(%)

Figura 4.8 – Deformação volumétrica do corpo de prova CP 04.

É importante dizer que o corpo de prova CP 04 foi instrumentado com dois

transdutores de poropressão na base, e que os valores por ambos obtidos são

Page 95: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

78

coincidentes entre si, como pode ser visto na Figura 4.7, eliminando-se portanto,

qualquer suspeita com relação às respostas dos medidores.

Ainda observando a mesma figura, notam-se dois picos ao longo da curva de

adensamento. Tais picos se devem a variações na temperatura, que subiu até 23°C

devido à falta de energia elétrica no laboratório, mostrando a importância de se ter o

controle da temperatura, uma vez que ela influencia não só o fenômeno medido, uma

vez que a viscosidade diminui, acelerando o processo, como também a resposta dos

transdutores.

O corpo de prova CP 04 chegou ao fim do adensamento primário após 60 dias

de ensaio, alcançando uma poropressão de aproximadamente zero, e uma

deformação volumétrica final de cerca de 23%.

Cabe ressaltar que, embora as deformações volumétricas verificadas nos três

corpos de prova ensaiados sejam da ordem de 23%, há mais compressibilidade nos

CP 03 e CP 04, já que o CP 01 sofreu tal deformação estando submetido a uma

tensão de adensamento de cerca de três vezes superior à dos demais, isto é, a uma

tensão de 150 kPa.

Novamente, as curvas de adensamento das Figuras 4.7 e 4.8, são diferentes

entre si, pelo fato de que uma,

0uub , representa uma medida local da poropressão

enquanto que a outra, deformação volumétrica, é uma medida correspondente a todo

o corpo de prova. Ambas as curvas estão associadas a uma tensão de adensamento

de 65 kPa.

No momento do fechamento da drenagem, após o fim do adensamento

primário, a velocidade de deformação do CP 04 era de 1,85 x 10-5 %/min, maior que a

do CP 03. A partir daí, a evolução da poropressão foi monitorada até cerca de 55 000

min e pode ser observada na Figura 4.9, a seguir.

Page 96: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

79

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000

tempo (min)

Poro

-pre

ssão

(kPa

)

Temperatura 22°CTemperatura 23°C

Figura 4.9 - Evolução da poropressão após fechamento da drenagem, CP 04.

Até os 20 000 min iniciais, as poropressões do corpo de prova CP 04 estavam

sendo monitoradas por dois transdutores elétricos conectados à base do corpo de

prova. Observa-se o desenvolvimento das poropressões a valores de no máximo 2,5

kPa, ou seja, cerca de 4% da tensão de adensamento.

Entretanto, era de se esperar que este valor ultrapassasse os cerca de 8%

registrados no CP 03, para o mesmo intervalo de tempo, uma vez que a velocidade de

deformação e a tensão de adensamento do CP 04 eram superiores às do CP 03.

Como a única diferença na montagem dos ensaios era o fato de que o CP 04

era instrumentado com dois transdutores de poropressão, decidiu-se fechar um

transdutor.

Para grande surpresa, observou-se inicialmente uma queda nos valores de

poropressão e um posterior crescimento da mesma a valores esperados, alcançando

um máximo de cerca de 9% da tensão de adensamento, contra os 8% observados no

CP 03.

É importante observar que quando a poropressão do CP 04 ainda era

monitorada por dois transdutores, a curva de poropressão cresceu lentamente com o

Um transdutor removido

Page 97: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

80

tempo observando-se uma oscilação periódica cuja amplitude era de 2 kPa. O mesmo

padrão de comportamento foi observado no CP 03. Entretanto, embora se tenha

observado o mesmo padrão oscilatório nas medidas de poropressão do CP 03, a

amplitude das oscilações no CP 03, monitorado com apenas um transdutor de poro-

pressão, foi de 1 kPa, exatamente a metade da amplitude observada nas medidas do

CP 04. Esta constatação levou à observação e comparação das montagens dos dois

ensaios, mostradas na Figura 4.10(a) e 4.10 (b).

Figura 4.10– Esquema de montagem dos ensaios monitorados com um

transdutor (CP 03) (a) e com dois transdutores elétricos (CP 04) (b).

Discutindo-se o efeito observado, aventou-se a hipótese do acrílico absorver

água. Se este fenômeno de absorção de água pelo acrílico é ou não real e foi o

responsável pelas oscilações das medidas da poropressão, não se pode afirmar.

Entretanto, é possível afirmar que os valores medidos das amplitudes de variação da

poropressão proporcionais ao número de transdutores, são consistentes com a

hipótese aventada já que duas peças de acrílico teriam o dobro da capacidade de

retirar água do sistema do que apenas uma. De mais a mais, há um fato que reforça a

hipótese aventada de absorção de água pelo acrílico. Este fato é o de que, após o

fechamento de uma das torneiras, a poro-pressão do CP 04 não só subiu, como

também a amplitude de sua variação caiu para a metade, se situando no valor de 1

kPa, mesma variação do ensaio com o CP 03 onde foi usado apenas um transdutor e

uma peça de transição de acrílico.

Corpo de prova Peça de transição de

acrílico

Transdutor de poro-pressão (a)

Peças de transição de

acrílico

Corpo de prova

Transdutor de poro-pressão (b)

CP 03 CP 04

Page 98: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

81

Todos os aspectos discutidos no parágrafo anterior podem ser observados nas

Figuras (4.6) e (4.9).

Diante desses fatos, não há dúvidas de que o fenômeno do crescimento da

poro-pressão sob condições não drenadas é um fenômeno real, registrado não só por

este trabalho como por vários outros, e que está de acordo com o fenômeno físico

concebido por Terzaghi (1941) e Taylor (1942). Além disso, se o possível efeito da

presença das peças de transição de acrílico é o de retirar água do sistema, é possível

que as poro-pressões registradas nas Figuras (4.6) e (4.9) sejam ainda maiores.

Outra precaução que deve ser tomada a partir das observações aqui

registradas é a de evitar o uso de “top caps” e discos espaçadores de acrílico em

ensaios não drenados.

É provável portanto, que as “corcovas” observadas ao longo de todo o

processo de evolução da poropressão, sejam causados por este suposto processo

contínuo de absorção de água pelo acrílico. Este processo de absorção por sua vez

não cessa, já que esta água evapora continuamente para o meio externo. Deve-se

ressaltar que nos ensaios realizados por Thomasi (2000), a poro-pressão foi

monitorada por transdutores encaixados em peças de transição de metal, não sendo

observadas tais corcovas em seus resultados.

Ainda no que concerne ao ensaio com o CP 04, considerando-se o intervalo de

tempo compreendido entre 20 000 min e 55 000 min, ou seja, com o monitoramento

das poropressões sendo feito por apenas um transdutor, observa-se que a

poropressão evolui gradativamente,estabilizando-se em torno de 6 kPa.

Isto significa que, para a velocidade de deformação de 1,85 x 10-5 %/min no

momento do fechamento da drenagem, cerca de 9% da tensão de adensamento,

corresponderiam à parcela viscosa da tensão normal efetiva.

Novamente observa-se a estabilização da poropressão, o que leva a crer que

não ocorreu o fenômeno da difusão.

Ainda neste intervalo de tempo, notam-se dois picos na poropressão referentes

à variação da temperatura, mantida constante em 19ºC, mas que por problemas

Page 99: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

82

técnicos variou para 23ºC e 22ºC. Mais uma vez se verifica a influência da temperatura

na resposta dos transdutores elétricos.

Ao contrário do que foi feito para a curva do CP 03, para a curva do CP 04 não

foi desenvolvida uma equação exponencial, em virtude das perturbações registradas.

Devido ao adiantar do prazo restante para o término da presente dissertação,

decidiu-se abrir a drenagem após cerca de 55 000 min, sem esperar um tempo maior

para se observar a poro-pressão estabilizada em cerca de 6kPa.

Ao ser aberta a drenagem, a poropressão levou aproximadamente 1500 min

para alcançar novamente o zero, valor que tinha no final do adensamento primário,

tempo bastante inferior aos 55 000 min necessários à estabilização.

A drenagem permaneceu aberta até 80 000 min, momento em que a

velocidade de deformação era de 7,1 x 10-6 %/min, cerca de duas vezes e meia menor

que a velocidade anterior, quando então foi novamente fechada.

De acordo com o modelo descrito, é de se esperar que as poropressões

cresçam a valores menores que os observados anteriormente e se estabilizem em um

menor período de tempo.

Na Figura 4.11 a seguir, são mostrados os valores da poropressão ao longo do

tempo, para os corpos de prova CP 01, CP 03 e CP 04 registrados ao final do

adensamento primário após o fechamento da drenagem.

Page 100: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

83

Figura 4.11- Evolução da poro-pressão após fechamento da drenagem, CP 01, CP 03 e CP 04.

Devido ao problema do vazamento de óleo de silicone ocorrido no CP 01, são

comparados entre si apenas os corpos de prova CP 03 e CP 04.

A poropressão de estabilização do CP 03 representou cerca de 8% de sua

tensão de adensamento, a qual era de 50 kPa. A tensão de adensamento do CP 04 foi

de 1,3 vezes superior à do CP 03, sendo de 65 kPa, o que levou a um valor de

estabilização da poropressão de 9,2% da tensão de adensamento.

Além disso, observa-se também que à maior velocidade de deformação no

instante do fechamento da drenagem correspondeu o maior valor da poro-pressão

normalizada pela tensão de adensamento

c

registrado.

Desta forma, conclui-se que quanto maior for a velocidade de deformação no

momento do fechamento da drenagem e quanto maior for a tensão de adensamento,

maior será a poropressão estabilizada, ou seja, maior será o valor da parcela viscosa

na tensão normal efetiva.

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000 110000

tempo (min)

Poro

-pre

ssão

(kPa

)

cp 04 107 cp 04 102 cp 03 cp 01

Page 101: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

84

5 5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA FUTURAS PESQUISAS

5.1. Conclusões

A seguir, encontram-se itemizadas as conclusões obtidas a partir do trabalho

de pesquisa realizado.

1) Os resultados obtidos sugerem a existência de uma parcela viscosa na

tensão normal efetiva, conforme o mecanismo descrito por Terzaghi (1941) e por

Taylor (1942) e verificado por Thomasi (2000).

2) No instante do fechamento da drenagem ao fim do adensamento

primário, foi verificado que quanto maior a tensão de adensamento e maior a

velocidade de deformação do corpo de prova, maiores são os valores de poropressão

observados. Esses resultados estão plenamente de acordo com o que prevê o

mecanismo apresentado para a compressão secundária.

3) Após o fechamento da drenagem, a evolução da poropressão segue

uma lei exponencial ( ) teCCtu λ−⋅+= 21 .

4) Após a estabilização da poropressão ao se reabrir a drenagem, a poro-

pressão se dissipa num intervalo de tempo de cerca de 50 vezes menor do que levou

desde o fechamento da drenagem até a estabilização.

5) Ao serem utilizados dois transdutores de poropressão (acoplados a

peças de transição de acrílico) monitorando um mesmo corpo de prova, foram

observadas perturbações nas medições das poropressões. O padrão de

CAPÍTULO

Page 102: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

85

Caminho do fenômeno

estudado neste trabalho

caminho do

adensamento

secundário

`veu σ=

linha

σ’s x e

σ’v = 0

0=•

ε b

ε a

ε p

ε

σc (log)

e ou Єv p

ε = velocidade ao

fim do primário

ue = poro-pressão

estabilizada

σ’v = parcela viscosa

da tensão normal

efetiva

comportamento das medidas sugere que há alguma perda de água do corpo de prova

para o acrílico. Em assim sendo, as poropressões desenvolvidas durante a fase não

drenada seriam ainda maiores que as medidas neste trabalho. Como conseqüência,

consoante o mecanismo da compressão secundária aqui estudado, seriam também

maiores as parcelas viscosas da tensão normal efetiva.

6) Os resultados preliminares sugerem existir, para uma dada velocidade

ε , uma relação

c

constante, ou

c

v

σσ `

constante (ver Figura 5.1).

Figura 5.1 – Relações `vexσ para algumas velocidades de deformação.

7) A utilização do óleo de silicone como fluido confinante nestes ensaios

de longa duração foi muito satisfatória. Não foi observado o fenômeno da difusão, já

que as leituras de poro-pressão estabilizaram após um certo período de tempo.

8) A utilização da bentonita na mistura do solo fabricado com o objetivo de

acentuar as características do fenômeno de adensamento secundário, não trouxe

benefício. Pelo contrário, tornou os ensaios excessivamente lentos.

Page 103: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

86

5.2. Sugestões para Futuras Pesquisas

A seguir são destacados pontos importantes para um melhor desempenho dos

trabalhos que poderão dar continuidade a esta linha de pesquisa.

1) Realizar ensaios utilizando peças de transição para os transdutores de

poro-pressão de outro material que não seja de acrílico, como por exemplo de aço

inox, alumínio, para que sejam obtidos valores reais de poro-pressão.

2) Antes de se aplicar a contra-pressão para o processo de saturação,

sugere-se assentar o corpo de prova na célula triaxial e, sem aplicar qualquer tensão,

verificar o valor da poropressão negativa sob a qual o corpo de prova se encontra

(através de um transdutor). Conhecido este valor, aplica-se o valor desejado da

contra-pressão internamente ao corpo de prova, e externamente, uma tensão

confinante de igual valor ao da contrapressão, acrescido, deste valor negativo

(sucção) determinado, considerando-se seu valor em módulo (+). Desta forma, a

variação de volume do corpo de prova será nula porque não haverá variação do

estado de tensões efetivas, e o que a bureta registrar de entrada de água no corpo de

prova, deverá ser atribuído apenas à diminuição do volume das bolhas de ar

porventura existentes no corpo de prova.

3) Realizar ensaios em amostras deformadas de solos, colúvio, solo

residual, sem a adição de bentonita (ou com uma quantidade menor).

4) Variar as tensões de adensamento para que sejam observados os

valores de poro-pressão e para que seja possível obter uma curva

⋅⋅

vvv x εσε ' .

5) A partir desta curva de

⋅⋅

vvv x εσε ' , tentar obter a curva 'sexσ , que

deverá ser uma propriedade do solo, uma vez que não estará mais submetida à

influência da velocidade de deformação volumétrica.

Page 104: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

87

6 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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of a Coastal Organic Silty Clay”, Géotechinique, v21, n4, pp 359-375;

FREITAS, N.C., 2004, Estudos dos Movimentos de um Colúvio no Sudeste Brasileiro.

Dissertação de M.Sc.,COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ,Brasil;

FONSECA, A.P., 2000, Compressibilidade e Resistência ao Cisalhamento dos

Solos de uma Voçoroca em Ouro Preto-MG. Dissertação de M.Sc.,

COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ,Brasil;

GARCIA, S.G.F., 1996, Relação entre o Adensamento Secundário e a

Relaxação de Tensões de uma Argila Mole Submetida à Compressão

Edométrica. Dissertação de M.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ,

Brasil;

GARCIA, O.C., 2005, Influência da Qualidade da Compactação dos Reaterros

na Capacidade de Carga de Fundações Submetidas a Esforços de

Tração. Dissertação de M.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro,RJ, Brasil;

CAPÍTULO

Page 105: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

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Landslides; Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 28 Junho-22Julho.

LACERDA, W.A., 2006 – Comunicação Pessoal,

LIMA, G. P., 1993, Estudo de uma Teoria Não-Linear para o Adensamento

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MARTINS, I. S. M., 1992, Fundamentos de um Modelo de Comportamento de

Solos Argilosos Saturados. Tese de D.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de

Janeiro, RJ,Brasil;

MARTINS, I.S.M., 2006 – Comunicação Pessoal,

RODRIGUES, R, 1992, Características geológicas e geotécnicas que

influenciam a estabilidade das massas coluviais na Serra de Cubatão,

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SANDRONI,S.S; LACERDA, W.A.;SILVA, S.R.B.; BRANDT, J.R.T.; 2001,

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Brasileira”, 3° Seminário de Dutos IBP 7301 – Instituto Brasileiro de

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TERZAGHI, K., 1941, “Undisturbed Clay Samples and Undisturbed Clays” In:

Contributions to Soil Mechanics, 1941-1953, pp.45-65;

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normal efetiva. Dissertação de M.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ,

Brasil;

Page 107: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

90

Apêndice 1 ESQUEMA DOS ENSAIOS DE ADENSAMENTO

HIDROSTÁTICO

A1.1. Introdução

Neste apêndice encontra-se um desenho esquemático da tubulação, mostrado

na figura A1.1, feita com tubos flexíveis de 1/4 polegadas, desenvolvida para a

realização de dois ensaios de adensamento hidrostático simultaneamente.

A1.2. Esquema do Ensaio

Figura A1.1 – Esquema de tubos do ensaio

A seguir estão descritos os procedimentos das etapas

Page 108: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

91

do ensaio de adensamento hidrostático, desde a aplicação da contra-pressão e

medição do parâmentro B até o fechamento da drenagem.

Os procedimentos descritos se referem ao conjunto A, sendo os mesmos para

o conjunto B observando suas respectivas torneiras.

APLICAÇÃO DA CONTRA-PRESSÃO

1) Torneiras 1A, 3A e 4A fechadas assim como B1A, B3A e 5B

2) Torneiras B2A, 2A, 5A e M abertas

3) Subir o pote de mercúrio 1 para a aplicação da contra-pressão desejada

4) Abrir as torneiras B1A e B3A e fechar a B2A, nesta ordem

5) Abrir as torneiras 4A e 3A, nesta ordem e quase que simultaneamente

6) Deixar por um tempo até que a leitura na bureta se estabilize, ou seja, até que não

esteja mais entrando água no corpo de prova

MEDIÇÃO DO PARÂMETRO B

7) Fechar as torneiras 3A, 4A e2A nesta ordem

8) Abrir torneira 1A

9) Subir o pote 2 de mercúrio para aplicar um incremento de tensão confinante ao

corpo de prova

10) Abrir apenas a torneira 4A

11) Ler o transdutor de poro-pressão

12) Calcular o parâmetro B

13) Se o parâmetro B for ≥ 0,98, seguir para a etapa de adensamento se não, ver item

seguinte.

14) Fechar as torneiras 1A e 4A

15) Abrir as torneiras 2A, 4A e 3A

16) Subir o pote 1 de mercúrio para uma tensão de valor superior a aplicada

anteriormente

17) Deixar por um tempo até que a leitura da bureta se estabilize

MEDIÇÃO DO PARÂMETRO B

18) Fechar as torneiras 3A, 4A e 2A , nesta ordem

Page 109: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

92

19) Abrir a torneira 1A

20) Subir o pote 2 de mercúrio para um novo acréscimo de poro-pressão no corpo de

prova

21) Abrir a torneira 4A

22) Ler o transdutor de poro-pressão

23) Calcular o parâmetro B

24) Se parâmetro B for ≥ 0,98, seguir para a etapa de adensamento, se não voltar

para o item 14

ETAPA DE ADENSAMENTO

25) Subir o pote de mercúrio para a pressão de adensamento desejada

26) Fazer a leitura zero na bureta

27) Ligar o computador para a aquisição da dissipação da poro-pressão

28) Abrir a torneira 3A

29) Fazer as leituras na bureta em tempos pré estabelecidos. Para os ensaios foram

estipulados os tempos de 6s, 15s, 30s, 45s, 1, 1,5, 3, 6, 8, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90,

120, 150, 210, 300 min

30) Esperar estabilizar a poro-pressão, ou seja, que esta atinja valores próximos a

zero

31) Fazer leitura da poro-pressão estabilizada

32) Fechar a torneira 3A e disparar o cronômetro

É sempre importante registrar o horário e a data do início do ensaio, bem como

verificar a temperatura ambiente.

FECHAMENTO DA DRENAGEM

Após o fim do adensamento primário, fecha-se a torneira 3A e registram-se as

variações da poro-pressão

A torneira 3A é novamente aberta quando as poro-pressões se estabilizam

seguindo-se novamente para a etapa de adensamento, com outros valores de tensão.

Page 110: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

93

Apêndice 2 Calibração dos Transdutores de Poro-Pressão

A2.1. Introdução

Neste apêndice encontram-se as curvas de calibração dos transdutores de

poro-pressão, com as respectivas equações, utilizados nos ensaios de adensamento

hidrostático. Os transdutores foram calibrados através de um manômetro de mercúrio.

A2.2. Curvas de Calibração

A seguir, nas figuras A2.1e A2.2 e A2.3, encontram-se as curvas de calibração

dos transdutores de poro-pressão utilizados para instrumentar os ensaios de

adensamento hidrostático, referentes aos corpos de prova CP 03 e CP 04,

respectivamente.

O eixo da abscissa corresponde às leituras registradas pelo sistema de

aquisição de dados utilizado (Data Logger – HP) para as respectivas pressões, as

quais foram aplicadas através do manômetro de mercúrio e que estão representadas

no eixo das ordenadas.

A partir da relação entre leitura (mV) e pressão (kPa), foram obtidas as

equações da reta de calibração.

Page 111: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

94

Figura A2.1 – Curva de calibração do transdutor 441 (CP 03).

Figura A2.2 – Curva de calibração do transdutor 332 (CP 04).

y = -10.396x - 130.12R2 = 1

(50)

-

50

100

150

200

250

300

350

-50.0 -40.0 -30.0 -20.0 -10.0 0.0

Leitura (mV)

Pres

são

(kPa

)

Transdutor 441 Linear (Transdutor 441)

y = 14.716x - 32.208R2 = 1

(50)

-

50

100

150

200

250

300

350

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0

Leituras (mV)

Pres

são

(kPa

)

Transd. 332 Linear (Transd. 332)

Page 112: Raquel Maciel dos Santos DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO

95

Figura A2.3 - Curva de calibração do transdutor 222 (CP 04).

y = -11.782x - 190.56R2 = 1

(50)

-

50

100

150

200

250

300

350

-50.0 -45.0 -40.0 -35.0 -30.0 -25.0 -20.0 -15.0 -10.0 -5.0 0.0

Leituras (mV)

Pres

são

(KPa

)

Transd. 222 Linear (Transd. 222)