Ensaios_Triaxiais

8/18/2019 Ensaios_Triaxiais

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MECÂNICA DOS SOLOS IIPrática

(Prof. Roberto L. Ferraz)

Assunto: Ensaios de laboratório para a determinação

da resistência ao cisalhamento de solos

- Ensaios triaxiais

- Adensado drenado (CD)

- Adensado não drenado (CU)

- Não adensado e não drenado (UU)

- Envoltórias de resistência

Câmaratransparente

de acrílico

Força axial aplicada

1 – Procedimento básico para a realização de ensaios de

compressão triaxial em solos

a) Coloca-se um corpo de

prova (CP) cilíndrico de solo

em uma câmara de acrílico e

envolve-se o mesmo por umamembrana de borracha.

b) A câmara é cheia com água,

por meio da qual aplica-se a

tensão confinante do ensaio

(c) gera no CPum estado

hidrostático de tensões.

c) A seguir, procede-se ao

carregamento axial do CP até

que se obtenha umacondição

de ruptura.

Sob este estado de tensões,

permite-se ou não o

adensamento do CP.

Na base se alumínio se encontram os

orifícios por onde se processam:

(a) injeção de água na câmara e aplicaçãoda pressão confinante;

(b) entrada ou saída de água CP (drenagem);(c) medição das pressões atuantes

(confinante (c) e neutra (u)).

Detalhes construtivos da célula triaxial utilizada nos ensaios

Orifícios que secomunicam com

a base do CP

Orifícios que secomunicam com

o topo do CP

Ponto para medidada pressão neutra

na base no CP

Orifícios para entrada esaída de água da câmara

Os registros na base da célula

permitem o total controle de

toda a água que entra ou sai

da célula, bem como do CP

Força axial

Pistão

Cilindro deacrílico

transparente

Entrada ousaída de ar



Como não se dispõe de normas brasileiras para a real ização dos

ensaios triaxiais, estes geralmente são realizados tomando como

referência normas internacionais, dentre as quais citam-se:

ASTM D 4767 - 04 – Standard Test Method for Consolidated

Undrained Triaxial Compression Test for Cohesive Soils.

BS 1377 – 1: 1990 – Triaxial Compression Test

2 – Metodologia de ensaio

Para ensaios em corpos de prova na condição saturada, basicamente

as etapas consistem de:

- Preparação do corpo de prova

- Talhagem ou moldagem do corpo de prova

- Montagem na célula triaxial

- Saturação do corpo de prova

- Adensamento (realizado para alguns ensaios CD e CU)

- Carregamento axial - Na condição drenada (CD)

- Na condição não drenada (CU e UU)

O corpo-de-prova para oensaio é cilíndrico e possuirelação altura/diâmetro da

ordem de 2.

Podem ser obtidos a partir de:a) amostras indeformadas (blocos ou amostradores de parede fina);b) amostras compactadas;c) moldados diretamente na célula sobre sua base (ex.: CP’s de areias).

2.1 – Corpos de prova para os ensaios triaxiais

Amostrador Shelby

Solo compactado

Bloco parafinado

2.2 – Sequência de preparação do corpo-de-prova

b) Colocação doCP sobre a pedra porosa

da base da célula e envolvimento do

mesmo com a membrana de borracha

Corpo-de-prova sobre a

base da célula

Detalhe do dispositivo usado

para colocar a membrana no

corpo-de-prova

Colocação da membrana nocorpo-de-prova

a) Talhagem ou moldagem do

corpo de prova



c) Con exão d o topo do CP a um a d as sa íd as

existentes na base da célula

Detalhe do conduto que faz a conexão do topo

do CP com uma das saídas na base da célula

2.3 – Montagem da célula triaxial

Colocação da câmara de

acrílico na base da célula

Célula montada, sendo

preenchida com água

Anéis de borracha para vedar

a entrada de água da célulano topo e base do CP

2.4 – Saturação do corpo-de-prova

Exemplos de processos para a saturação de corpos de prova:

a) Porpercolação de água através do CP aplicável a areias mas, noentanto, é pouco eficiente para solos argilosos

b) Por aplicação de contra-pressão no CP principal método desaturação de solos finos.

Consiste em elevar gradativamente apressão conf inante (c) e também a

pressão neutra no corpo de prova (contra-pressão) até atingir a saturação.

Saturação por contra-pressão

Contra-pressão Injeção de água no CPpor uma das linhas de drenagem

Linha de

Contra-pressão

É necessária para que durante o ensaio seja possível medir com precisãoa pressão neutra (u) e a variação de volume (V) ocorrida no CP.

A verificação da saturação é feita com base na seguinte observação:

“Em um solo saturado todo o acréscimo de pressão gera um

acréscimo de pressão neutra de igual valor, ou seja, u = ”

=∆

∆

3 = acréscimo de pressão confinante aplicado na câmara

u = variação de pressão neutra gerada após o acréscimo de 3

Quando B = 1,0

solo saturado

Princípio da saturação por

contra-pressão

Consiste, a partir doaumento da pressão neutra

(contra-pressão), em forçar adissolução das bolhas de ar existentes na água do solo.

Pontos deaplicação da

contra-pressão

(c)

Em alguns casos considera-se o CP saturado quando B ≥ 0,97

Definição do coeficiente de pressão neutra, B:



Sequência básica de um processo de saturação por contra-pressão:

3 (kPa) 0

Contra_P

u (kPa)

u (kPa)

3 (kPa)

B

B = 0,98 (considerado saturado)

Passo 1

(3)

Pontos de aplicação da contra-pressãono co rpo-de-prova

e também para a medição da pressão neutra atuante (u)

Passo 2 Passo 3 Passo 2 Passo 3 Passo 2 Passo 3 Passo 2 Passo 3 Passo 2 Passo 3 Passo 2

1 – Antes de aplicar a pressão confinante 3,

medir a pressão neutra inicial no CP (ui);

2 – Aumentar 3, medir a pressão neutra f inal

gerada (uf ), calcular

u, 3 e o parâmetro B;

3 – Se B < 1, aumentar a contra-pressão (u) até

um pouco abaixo d a 3 atuante ( 10 kPa

abaixo), aguardar a estabilização e mediru (ui);4 – Repet ir os passos 2 e 3 atéB 1.

- 3 5,5

8,5

50

0,17

50

40

39 57

18

50

0,36

100

90

88 153

65

100

0,65

200

190

190 276

86

100

0,86

300

290

290 385

95

100

0,95

400

390

390 488

98

100

0,98

500

1a letra Refere-se à condição de adensamento do CP

C = Consolidated (Adensado)U = Unconsolidated (Não adensado)

2a letra Condição de drenagem durante o cisalhamento

D = Drained (Drenado)U = Undrained (Não drenado)

2.5 - Ensaios triaxiais convencionais

Quanto às condições de adensamento no inicio do ensaio e dedrenagem do CP durante o carregamento, existem três tipos básicosde ensaios triaxiais, que são geralmente identificados por 2 letras:

Ensaios: Ensaio CD (Consolidated Drained)

Ensaio CU (Consolidated Undrained)

Ensaio UU (Unconsolidated Undrained)

Após a saturação, deve-se seguir a metodologia correspondente aotipo de ensaio triaxial a ser realizado.

c

cc

(Adensamento)Saída de água

permitida

Aplicação de c

(compressãoisotrópica)

u 0

u > 0

Etapa 1: Aplica-se a pressão confinante eespera-se que o CP se adense, ou seja,

que o excesso de pressão neutra gerado se

dissipe (u 0).

Etapa 2: procede-se aocarregamento axial do CP

lentamente, de forma a permitir asaída da água sem gerar excesso

de pressão neutra (u 0).

1) Ensaio CD (Consolidated Drained Adensado Drenado)

c

cc

Saída de águapermitida

(Registro aberto)

Carregamentolento

u 0

Tensão desviadora(Aplicada pelo pistão

da célula)

(com drenagem)



2) Ensaio CU (Consolidated Undrained

Adensado não drenado)

Etapa 1: Aplica-se a pressão confinante eespera-se que o CP se adense, ou seja,

que o excesso de pressão neutra gerado sedissipe (u 0).

c

cc

(Adensamento)Saída de água

permitida

Aplicação de c

(compressãoisotrópica)

u 0

u > 0

Etapa 2: procede-se aocarregamento axial do CP, sempermitir a drenagem (saída de

água) gera excesso depressão neutra (u > 0).

c

cc

Sem drenagem daágua

(Registro fechado)

Carregamento

u > 0


da célula)

3) Ensaio UU (Unconsolidated Undrained

Não adensado e não drenado)

Etapa 1: Aplica-se a pressão confinantesem permitir que o CP se adense, ou

seja, mantém-se o registro de drenagemfechado.

c

cc

Não é permitidoo adensamento

Aplicação de c

(Compressãoisotrópica)

u > 0

(Registro fechado)

Etapa 2: procede-se aocarregamento axial do CP, sempermitir a drenagem (saída de

água) gera excesso depressão neutra (u > 0).

c

c

c

Sem drenagemda água

Carregamento

u > 0


da célula)

(Registro fechado)

2.5.1 – Adensamento do corpo-de-prova

Ensaios CD e CU Proceder ao adensamento do corpo deprova antes de iniciar a fase de compressão.

Passo 2: Deixar o corpo de

prova se adensar sob

a tensão confinante

escolhida (’3).

(3)

Saída de água do corpo-de-

prova devido ao adensamento

Passo 1: Ajustar 3 e u, de

forma a obter o estado

de tensões efetivas

exigido para o ensaio:

’3 = 3 - u



2.5.2 – Compressão axial do corpo de prova

Esta fase será realizada de acordo com a condição de

drenagem escolhida para o ensaio.

c = 3

cc = 3

Saída de água(Drenagem)

Carregamento 1

u 0

c = 3

cc

Sem drenagemda água

Carregamento 1

u > 0

Ensaio CD Permitidaa drenagem do CP durante

todo o carregamento

Ensaios CU e UU Nãoserá permitida a drenagem do

CP durante o carregamento

Registros durante o carregamento (a diversos intervalos de tempo):

a) acréscimo de tensão axial 1 (tensão desviadora);b) deformação vert ical do CP(h);c) Variação devolume (V) e pressão neutra gerada (u).

A tensão devida aocarregamento axialé denominada“acréscimo de

tensão axial” (1)ou “tensão

desviadora” (d),

1 = 1 + 3

1 = 1 - 3

Exemplos de curvas de tensão desviadora (1)versus deformação axial (a)

a (%) = ( h/H0).100

c1 = 100 kPa

c2 = 200 kPa

c3 = 600 kPa

h = variação de altura do CPH0 = altura inicial do CP

3 – Resultados típicos de ensaios triaxiais

Geralmente são apresentados gráfico da tensão desviadora em função

da deformação axial (vertical) específica (a):

Plano de

ruptura

r Plano

horizontal

Plano deruptura

r Plano

horizontal

1

a (%)

31 1max1

32

33

1max2

1max3

31

32 33

1max1 1max2 1max3

Envoltória de resistência de Mohr ou de Mohr-Coulomb

pode ser obtida a partir dos círculos de Mohr traçados

Pontos de máximo 1 das

curvas “tensão desviadoraversus deformação axial”

situação de ruptura ...

Envoltóriade Mohr

Envoltória de

Mohr-Coulomb

... Para cada CP pode

ser traçado um círculo deMohr com os pares devalores (3 , 1max).

1max = 3 + 1max



31 32 33

1max1

1max2 1max3

4 – Parâmetros das envoltórias de resistência ao

cisalhamento (Critério de Mohr-Coulomb)

Parâmetros: c = intercepto de coesão = ângulo de atrito interno

4.1 - Envoltória de resistência a partir dos círculos de Mohr

Envoltória de

Mohr-Coulomb

Para cada corpo de prova

ensaiado tem-se:

CP 1 confinante = 31

1max1 = 31 + 1max_1


1max2 = 32 + 1max_2


1max3 = 33 + 1max3

c

Formas de obtenção:

a) Diretamente, a partir dos círculos de Mohr na condição de ruptura.

b) Indiretamente, a partir da envoltória às trajetórias de tensões

3 1max

Círculo detensões totais

4.2 - Envoltória em termos de tensões totais ou de tensões efetivas

Supondo que para um determinado corpo de prova sejam conhecidos

os seguintes valores na condição de ruptura:

Confinante = 3 Tensão desvio máxima = 1max Pressão neutra = uf

As envoltóriasde resistência podem serobtidas em termos de tensões

totais ou de tensões efetivas (Nesse caso interessa conhecer ’3 e’1max de cada CP)

Círculo de Mohr em termos

de tensões totais:

Tensão principal menor = 3

Tensão principal maior máxima:1max = 3 + 1max

Círculo de Mohr em termos

de tensões efetivas:

Principal menor = ’3 = 3 - uf

Tensão principal maior máxima:’1max = 1max - uf

’3 ’1max

uf uf

Círculo detensões efetivas

5 – Ensaio de cisalhamento direto versus ensaio triaxial

5.1 Vantagens e desvantagens do ensaio de cisalhamento direto

a) Cisalhamento direto – Vantagens:

• simplicidade e facilidade na moldagem dos corpos de prova;

• simplicidade e praticidade na execução do ensaio;• rapidez, principalmente com solos permeáveis;

• permite grandes deformações por reversão da caixa de cisalhamento;

• pode ser realizado na condição inundada;

• permite estudar planos preferenciais de ruptura.

b) Cisalhamento direto- Desvantagens

• o plano de ruptura é imposto (horizontal) pode não ser o demenor

resistência;

• não permiteo controle e nemmediçãodas poropressões geradas;

• torna-se muito lento em solos de baixa permeabilidade;• estado de tensões é complexo: há rotação das tensões durante o

cisalhamento.



Antes de iniciar o

cisalhamento, o

plano horizontal é o

plano principal maior

Início do ensaio

0 = 0

Rotação das tensões principais no ensaio de cisalhamento direto:

Planos principais Não existem tensões de cisalhamento ( 0 e = 0)

Plano principal maior onde atua a maior tensão normal (1)

Plano principal menor onde atua a menor tensão normal (3)

Durante o ensaio

0 ≠ 0

Durante o cisalhamento do

CP, o plano horizontal não é

mais plano principal ( 0)

No ensaio de cisalhamentodireto, somente são conhecidas as tensões

em um único plano (horizontal).

Portanto, não é possível o traçado de círcu los de Mohr

referentes a estados de tensões nos CP’s durante o ensaio.

a) São os mais versáteis para determinar as propriedades tensão-deformação

e a resistência ao cisalhamento dos solos em laboratór io , uma vez que

podem ser adaptados à diversas condições especiais.

c) Permite o controle da drenagem em qualquer fase do ensaio.

b) O corpo-de-prova é cilíndrico, podendo ser utilizado amostras shelby.

e) O plano de ruptura não é imposto, podendo ocorrer em qualquer posição.

f) Não existe rotação das tensões principais.

5.2 Vantagens e desvantagens do ensaio triaxial

Fase 1:Compressão

isotrópica

d = 1 - 3

Fase 2:Carregamento

axial do CP

d (ou 1) = tensão desviadora

Nos ensaios de compressão:

Horizontal = plano principal maior Vertical = plano principal menor

a) O equipamento é mais sofisticado, não sendo portanto tão simples deoperar quanto o do cisalhamento direto.

c) Não uniformidade de tensão, deformação, pressão neutra e variaçãode volume ao longo do corpo-de-prova devido à existência decontraste entre contornos rígidos (bases) e flexíveis (membrana) e aoatrito corpo-de-prova/bases rígidas.

Dentre as desvantagens do ensaio triaxial citam-se:

b) Necessidade de acessórios especiais para aplicação de pressão e paramedição das pressões neutras e variações de volume ocorridasdurante as diversas fases dos ensaios.

c) O estado de tensões no corpo-de-prova pode ser acompanhado durante

todo ensaio.

Em qualquer instante doensaio são conhecidas asposições dos planos onde

atuam 1 e 3, bem como osvalores destas tensões.

1

1

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