Universidade Presbiteriana Mackenzie
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ESTUDO DA VARIABILIDADE DA RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DE ALGUNS SOLOS CLASSIFICADOS SEGUNDO A MCT (MINIATURA, COMPACTADO, TROPICAL) PARA DOIS NÍVEIS DE ENERGIA: NORMAL E INTERMEDIÁRIA
Leandro de Aquino Leão (IC) e Rita Moura Fortes (Orientadora)
Apoio: PIVIC Mackenzie
Resumo
A construção de barragens é muito onerosa, o investimento necessário para a construção de uma obra para essa finalidade é muito elevado, havendo diversos estudos para viabilizar o empreendimento, inclusive um que consiste na definição dos solos a serem utilizados nos taludes de aterro. Este trabalho trata da variabilidade da resistência ao cisalhamento de alguns solos classificados segundo a MCT (Miniatura, Compactado, Tropical) para dois níveis de energia: normal e intermediária. A resistência ao cisalhamento de um solo é o fator preponderante para a estabilidade de um aterro, visto que a ruptura desse aterro quase sempre ocorre quando o solo é submetido a tensões cisalhantes que ultrapassem a resistência ao cisalhamento do solo. A resistência ao cisalhamento de um solo compactado está diretamente ligada à energia utilizada na compactação e ao teor de umidade deste solo, sendo fundamental para a construção de um talude de aterro o conhecimento de qual energia de compactação é necessária para obtenção da resistência ao cisalhamento que atende aos critérios de projeto. Este trabalho apresenta as energias de compactação e os teores de umidade para alguns solos classificados segundo a MCT para dois níveis de energia: normal e intermediária e a resistência ao cisalhamento de cada um desses solos, obtida através do ensaio de cisalhamento direto.
Palavras-chave: resistência ao cisalhamento, MCT (miniatura, compactado, tropical), compactação
Abstract
The construction of dams is very expensive, the investment required to build a work for this purpose is very high, with several studies to enable the enterprise, including one that is the definition of land use in the landfill slopes. This work deals with the variability of shear strength of some soils classified according to the MCT (Miniature, Compacted, Tropical) for two power levels: normal and intermediate. The shear strength of a soil is the main factor for the stability of a landfill, since the breakdown of landfill almost always occurs when the soil is subjected to shear stresses exceeding the shear strength of soil. The shear strength of a compacted soil is directly related to the energy used in compression and the moisture content of soil, is central to the construction of an embankment slope of the knowledge which compaction is necessary to obtain the shear strength that meets the design criteria. This work presents the compaction and moisture content for some soils classified according to the MCT for two power levels: normal, intermediate and shear strength of each of these soils, obtained from direct shear test.
Key-words: shear strength, MCT (miniature, compacted, tropical), compression
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1. INTRODUÇÃO
O Brasil apesar de possuir um dos maiores conjuntos de bacias hidrográficas do mundo e
sendo sua principal fonte de energia a hidrelétrica, muito sofreu no período de junho de
2001 a fevereiro de 2002, quando ocorreu o racionamento de energia, segundo Bardelin
(2004) ocorrido porque o crescimento do parque gerador brasileiro não acompanhou
adequadamente o aumento no consumo de energia elétrica.
O aumento do consumo de energia elétrica que é uma realidade no nosso país, alerta para
a necessidade da construção de novas hidrelétricas, o que pode ser agravado também com
a possibilidade de falta de chuvas, que podem provocar o esgotamento dos reservatórios de
água das usinas hidrelétricas existentes, prejudicando sobremaneira o crescimento
econômico e o bem estar da população, pois não existe crescimento sustentável na
ausência de água e energia.
Dessa maneira salienta-se a importância da reservação de água, que represa a água nos
períodos de chuva evitando que a mesma não falte nos períodos de seca, buscando assim o
abastecimento contínuo à população. Por outro lado, verifica-se a necessidade de estudo e
previsão de construções de novas usinas, manutenção, e possivelmente, construção de
novos reservatórios, o que diretamente indica construção de barragens.
A construção de barragens para a reserva de água, com a finalidade de suprir as
necessidades do homem, como observado por Cruz (1996) é tão antiga quanto a sua
história.
Após o aparecimento da Mecânica dos Solos no início do século passado, passou-se a ter
sustentação teórica para a execução de diversas obras, inclusive como destacado por
Teixeira (1997) para a condução dos trabalhos exigidos na execução do aterro de uma
barragem, incluindo-se a possibilidade de controle do material a ser utilizado na
compactação.
Por o Brasil ser um país de clima tropical apresenta dentre os tipos de solos, os solos
denominados como solos tropicais, que apresentam propriedades e comportamentos
diferentes de solos não tropicais em decorrência de processos geológicos e/ ou pedológicos,
comuns em regiões de clima tropical úmido Committee on Tropical Soils of ISSMFE (1985).
A resistência ao cisalhamento dos solos é fortemente influenciada pelo nível de energia a
ser utilizada na compactação e pelo tipo de solo a ser compactado. Alguns solos
apresentam um ganho significativo quando se altera a energia da compactação de normal
para intermediária, entretanto outros solos obtêm uma resistência próxima a sua máxima
com a compactação na energia normal, não obtendo ganhos significativos com a
compactação na energia intermediária.
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Com base nessa problemática, objetiva-se avaliar a variabilidade da resistência ao
cisalhamento de alguns solos classificados segundo a MCT (Miniatura, Compactado,
Tropical) para dois níveis de energia: normal e intermediária.
2. REFERENCIAL TEÓRICO
2.1. SOLOS TROPICAIS
Os solos tropicais apresentam algumas peculiaridades que são de grande importância para
os estudos geotécnicos, como sua ocorrência, suas propriedades físicas e mecânicas, de
acordo com Futai (1999) e com Nogami e Villibor (1995) os solos tropicais podem ser
divididos em duas grandes classes, àqueles encontrados mais superficialmente,
denominados solos lateríticos e os que resultam da decomposição e/ou desagregação “in
situ” de rocha, denominados solos saprolíticos.
Ao se tratar da classificação de solos tropicais, a natureza das frações de argila e areia de
solos de regiões tropicais possuem diferenças em relação às de regiões temperadas,
segundo Fortes et al. (1999) essas diferenças representam uma das principais razões que
limitam as classificações geotécnicas dos solos tropicais, uma vez que as classificações
mais comumente utilizadas foram desenvolvidas para solos de clima temperado. Em função
dessas limitações Nogami e Villibor (1981 e 1985) desenvolveram a metodologia MCT
(Miniatura, Compactado, Tropical) que é própria para uso em solos tropicais usada na
classificação e determinação das propriedades físicas e hidráulicas de solos tropicais
compactados.
2.2. CARACTERIZAÇÃO DOS SOLOS TROPICAIS
Os solos tropicais se caracterizam por uma série de peculiaridades, que levam a dividi-lo em
duas grandes classes, solos lateríticos e solos saprolíticos.
O trabalho publicado por Cozzolino e Nogami (1995) apresenta uma boa caracterização dos
solos tropicais, segundo o qual os solos lateríticos se caracterizam basicamente pela cor,
predominantemente vermelho e amarelo, espessuras variadas, geralmente da ordem de
dois a dez metros, apresentam grãos muito resistentes mecânica e quimicamente, na fração
areia e pedregulho, e elevada porcentagem de partículas constituídas de hidróxidos e óxidos
de ferro e alumínio, na fração argila, grãos mais finos agregados, podendo-se visualizar, na
natureza, grande volume de vazios que em grande parte estão preenchidos por ar,
justificando a baixa massa específica e elevada permeabilidade.
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Entretanto, conforme destacado por Pinto (2002), quando os solos lateríticos são
compactados, ganham capacidade de suporte, e não apresentam expansão na presença de
água, sendo por isso muito utilizados em aterros e em obras rodoviárias.
Os solos saprolíticos são encontrados abaixo do perfil laterítico ou a outros tipos de solos,
apresentando espessuras muito variadas, normalmente superiores a 10 metros, sua
coloração depende da sua rocha matriz, por isso apresenta uma coloração bem variegada,
segundo Nogami e Villibor (1995) já foi designado como sendo solo de alteração de rocha,
podendo-se confundir visualmente com uma rocha alterada, é de uma forma geral um solo
muito heterogêneo, o que dificulta uma caracterização geral.
2.3. METODOLOGIA MCT
A metodologia MCT permite a determinação das propriedades mecânicas e hidráulicas dos
solos e classifica os solos tropicais em duas grandes classes, com comportamentos
distintos, os solos de comportamento laterítico (L) e os solos de comportamento não
laterítico (N). As quais são subdivididas em 7 grupos:
- LG’: argilas lateríticas e argilas lateríticas arenosas;
- LA’: areias argilosas lateríticas;
- LA: areias com pouca argila laterítica;
- NG’: argilas, argilas siltosas e argilas arenosas não lateríticas;
- NS’: siltes cauliníticos e micáceos, siltes arenosos e siltes argilosos não lateríticos;
- NA’: areias siltosas e areias argilosas não lateríticas;
- NA: areias siltosas com siltes quartzosos e siltes argilosos não lateríticos.
Os ensaios da metodologia MCT envolvem diversos ensaios, dentre os quais estão os
ensaios de compactação Mini-MCV, mini-CBR, perda por imersão, permeabilidade e
infiltração. Os ensaios são realizados com miniaturização da aparelhagem, segundo
Cozzolino e Nogami (1993) isso se deve aos custos de realização dos ensaios, pois se
fossem usadas as aparelhagens tradicionais, os custos seriam muito elevados.
2.4. ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO
O ensaio de cisalhamento direto foi desenvolvido basicamente para a determinação da
resistência ao corte de um corpo de prova de solo, de forma prismática e seção quadrada ou
circular e de pequena espessura.
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Os resultados obtidos devem ser analisados com cuidado, como visto em Das, (2007) o
plano de corte pode não representar o plano mais fraco e a distribuição da resistência ao
cisalhamento do corpo de prova não é uniforme.
Apesar das limitações, o ensaio de cisalhamento direto se torna uma opção adequada a
alguns casos por sua simplicidade de execução e pelo custo mais baixo em relação a outros
ensaios, como o ensaio de compressão triaxial.
2.5. COMPACTAÇÃO DOS SOLOS
A compactação dos solos é utilizada em diversas obras de engenharia, como também na
construção de barragens de terra, com o objetivo de promover adaptações em suas
características físicas e estruturais, conforme apontado por Aguiar (2010), sendo que nem
sempre se consegue com a compactação uma resistência melhor do que encontrada em
solos naturais encontrados na jazida.
A compactação dos solos é afetada pelo teor de umidade, que influencia significativamente
o grau de compactação alcançado por determinado solo, pelo tipo de solo e pela energia
utilizada na compactação. Um mesmo solo, quando compactado com energias diferentes,
apresentará valores de peso específico aparente seco máximo maiores para valores
crescentes dessa energia. A figura 1 apresenta uma curva de compactação típica para
valores crescentes de energia.
Figura 1 – Curvas típicas de compactação de um mesmo solo compactado com energias diferentes
Fonte: Pinto (2002)
3. MÉTODO
3.1. GENERALIDADES
O desenvolvimento do presente estudo baseou-se na obtenção da variabilidade da
resistência ao cisalhamento para amostras de solo tropical classificadas pela metodologia
MCT para dois níveis de energia normal e intermediária, utilizando-se para tal de:
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- pesquisa teórica que teve como objetivo identificar os aspectos concernentes aos
benefícios da compactação sob o ponto de vista técnico, visando à melhora da resistência
ao cisalhamento.
- parte experimental que consistiu na classificação dos solos pela metodologia MCT,
compactação das amostras utilizando energia normal e energia intermediária e ensaios de
cisalhamento direto.
Para a parte experimental contou-se com o apoio do laboratório LENC – ENGENHARIA E
CONSULTORIA, que contribuiu com está pesquisa fornecendo as amostras de solo
compactadas nas energias normal e intermediária e as classificando através da metodologia
MCT.
Os ensaios de cisalhamento direto foram realizados por este autor no laboratório de
mecânica dos solos da Universidade Presbiteriana Mackenzie com o apoio de sua
orientadora.
3.2. CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS E COMPACTAÇÃO NAS ENERGIAS NORMAL E
INTERMEDIÁRIA
Os solos estudados foram caracterizados pelos métodos clássicos para caracterização
geotécnica. Foram realizados ensaios de análise granulométrica segundo a norma NBR
7181/84 (Solo – Análise granulométrica) e apresentada uma classificação segundo a norma
NBR 6502/95 (Rochas e solos), para determinação dos limites de Atterberg, pelas normas
NBR 6459/84 (Solo – Determinação do limite de liquidez) e NBR 7184/84 (Solo –
Determinação do limite de plasticidade). Para a classificação dos solos tropicais foi utilizada
a metodologia denominada MCT.
Na sequência foram realizados os ensaios de compactação segundo a norma NBR 7182/86
(Solo – Ensaio de compactação) para as energias normal e intermediária.
Após a realização da compactação separou-se dois corpos de prova de cada amostra,
compactados na energia normal e intermediária que resultaram na máxima específica seca
máxima e umidade ótima para serem utilizados nos ensaios de cisalhamento direto.
Todos os ensaios desse item foram realizados pela empresa LENC – ENGENHARIA E
CONSULTORIA. As figuras 2 a 4 mostram as amostras que foram selecionadas para o
ensaio de cisalhamento direto:
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Figura 2 – NG’ (energia normal e intermediária)
Fonte: Própria
Figura 3 – NS’ (energia normal e intermediária)
Fonte: Própria
Figura 4 – NS’ (energia normal e intermediária)
Fonte: Própria 3.3. CISALHAMENTO DIRETO
Os ensaios de cisalhamento foram programados com os corpos de prova compactados,
foram realizados utilizando como referência a ASTM D3080-04 (Standard Test Method for
Direct Shear Test of Soils Under Consolidated Drained Conditions) tendo como objetivo
conhecer a variabilidade da resistência ao cisalhamento dos solos frente a diferença das
energias de compactação utilizadas nos corpos de prova.
Os corpos de prova compactados foram cuidadosamente moldados com o uso de formas
metálicas quadrangulares biseladas, as quais possuíam 5 cm de largura interna e 2 cm de
altura, área de 25cm² e volume de 50 cm³ e com auxílio de lâminas, para serem colocados
na prensa de cisalhamento direto.
Buscou-se evitar alterações no estado do material devido à perda de umidade, de forma que
os corpos de prova foram armazenados em câmara úmida envolvidos em plásticos.
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No equipamento de cisalhamento direto, a tensão vertical é obtida com um sistema de
pesos, que são posicionados na porção inferior de um conjunto de hastes. A prensa possui
um motor elétrico que desloca a base de cisalhamento, de modo que sua metade superior
reage contra um anel dinamométrico, medindo-se a força tangencial, o sistema é provido de
um potenciômetro, que mantém constante a velocidade de deslocamento da célula durante
o cisalhamento.
O deslocamento horizontal é medido por um extensômetro, na base da célula e os
deslocamentos verticais são monitorados também com um extensômetro, posicionado no
topo do sistema de carregamento vertical.
As células de cisalhamento envolveram o uso de placas metálicas ranhuradas e pedras
porosas, tanto no topo como na base das amostras.
Uma vez moldados, os corpos de prova eram transferidos para a célula de cisalhamento.
As amostras foram cisalhadas sob carregamento normal de 100, 200 e 400 kPa, sob as
mesmas condições da compactação.
As figuras 5 a 8 mostram como foi à moldagem dos corpos de prova, o sistema de
cisalhamento e o armazenamento em câmara úmida.
Figura 5 – moldagem dos corpos de prova
Fonte: Própria
Figura 6 – sistema de cisalhamento
Fonte: Própria
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Figura 7 – detalhe dos extensometros
Fonte: Própria
Figura 8 – armazenamento dos corpos de prova compactados em câmara úmida
Fonte: Própria 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. CARACTERIZAÇÃO E COMPACTAÇÃO DOS SOLOS
Os solos estudados foram classificação pela metodologia MCT em NS’, LG’, NG’. Os
resultados da caracterização e compactação dos solos nas energias normal e intermediária
são apresentados nas tabelas 1 e 2.
Tabela 1 – Caracterização geotécnica dos solos estudados
Características/Propriedades SOLOS NS’ LG’ NG’
Pedregulho (%) 0,00 0,00 0,00 Areia grossa (%) 10,70 0,85 9,57 Areia média (%) 15,08 12,41 13,22 Areia fina (%) 17,00 30,23 15,72 Silte + Argila (%) 57,23 56,51 61,50 Limite de liquedez - LL (%) * 48,00 46,00 Limite de plasticidade – LP (%) * 27,00 29,00 Índice de plasticidade – IP (%) * 21,00 17,00 * Valores não fornecidos pelo laboratório.
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Tabela 2 – Compactação Proctor Normal e Intermediário
Amostra (Compactação) Características Valores obtidos
NS’ (Proctor Normal) Umidade média (%) 15,79 17,19 19,09 21,29 23,60
Peso esp. seco (kN/m³) 15,09 16,03 16,75 16,27 15,74
NS’ (Proctor Intermediário) Umidade média (%) 14,60 17,10 20,10 23,40 26,40
Peso esp. seco (kN/m³) 16,50 17,00 17,10 16,40 15,50
LG’ (Proctor Normal) Umidade média (%) 17,80 19,49 21,50 23,80 25,70
Peso esp. seco (kN/m³) 13,16 14,15 14,60 14,01 13,38
LG’ (Proctor Intermediário) Umidade média (%) 19,70 21,60 23,80 25,10 27,80
Peso esp. seco (kN/m³) 14,90 16,10 16,50 16,10 13,90
NG’ (Proctor Normal) Umidade média (%) 12,60 14,19 16,33 18,19 20,89
Peso esp. seco (kN/m³) 15,07 15,94 16,47 16,02 15,16
NG’ (Proctor Intermediário) Umidade média (%) 14,30 16,20 18,40 20,30 22,10
Peso esp. seco (kN/m³) 16,50 17,00 17,20 16,70 16,00
Através da tabela 2 é possível confirmar o aumento do peso específico das amostras na
medida em que se eleva a energia de compactação, conforme descrito do item 2.5 e
exemplificado na figura 1 e ainda verificar que a amostra LG’ apresentou o maior ganho de
densidade com o aumento da energia de compactação, da ordem de 1,9 kN/m³ de aumento,
comprovando uma das características dos solos lateríticos, que ganham capacidade de
suporte quando compactados.
Entretanto percebe-se que o teor de umidade ótimo aumentou para as amostras
compactadas na energia intermediária, provavelmente devido à heterogeneidade do
material, e pelas frações de lateritas presentes no solo.
As figuras 9 a 11 apresentam a distribuição granulométrica dos solos estudados, enquanto
que as figuras 12 a 14 apresentam as curvas de compactação dos solos estudados.
Figura 9 - Distribuição granulométrica – NS’
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Figura 10 - Distribuição granulométrica – LG’
Figura 11 - Distribuição granulométrica – NG’
Figura 12 – Curvas de compactação – amostra LG’
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Figura 13 – Curvas de compactação – amostra NG’
Figura 14 – Curvas de compactação – amostra NS’
4.2. RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO
A resistência ao cisalhamento das amostras de solo, NS’, LG’ e NG’ compactadas nas
energias normal e intermediária foram avaliadas por ensaios de cisalhamento direto.
As amostras foram cisalhadas sob carregamento normal de 100, 200 e 400 kPa e teores de
umidade próximos à umidade ótima do ensaio de Proctor.
A tabela 3 apresenta os resultados de resistência ao cisalhamento de pico (máximo) e
resistência ao cisalhamento residual obtidos dos ensaios de cisalhamento direto.
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Tabela 3 – Resultados dos ensaios de cisalhamento direto
Amostras (Compactação) Resistências ao
cisalhamento (kPa)
Valores obtidos – Carregamento Normal (kPa)
100,00 200,00 400,00
NS’ (Proctor Normal) Pico 66,00 102,80 195,60
Residual 46,80 97,20 182,80
NS’ (Proctor Intermediário) Pico 62,80 108,80 216,40
Residual 47,60 94,00 204,80
LG’ (Proctor Normal) Pico 113,20 228,00 263,20
Residual 64,80 130,40 241,20
LG’ (Proctor Intermediário) Pico 161,20 187,20 272,80
Residual 55,60 122,80 198,40
NG’ (Proctor Normal) Pico 100,40 126,80 225,60
Residual 56,40 106,00 205,60
NG’ (Proctor Intermediário) Pico 80,40 119,20 183,20
Residual 57,20 102,00 173,60
A partir dos resultados obtidos dos ensaios de cisalhamento foram elaborados os gráficos
da tensão cisalhante e as envoltórias de resistência. As figuras 15 a 22 apresentam os
gráficos elaborados.
Figura 15 – Curvas de tensão cisalhante x deslocamento – amostra NS’
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Figura 16 – Curvas de tensão cisalhante x deslocamento – amostra LG’
Figura 17 – Curvas de tensão cisalhante x deslocamento – amostra NG’
Figura 18 – Curvas de tensão cisalhante x deslocamento – amostras compactadas na energia normal
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Figura 19 – Curvas de tensão cisalhante x deslocamento – amostras compactadas na energia intermediária
Figura 20 – Envoltória de resistência – amostra NS’
Figura 21 – Envoltória de resistência – amostra LG’
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Figura 22 – Envoltória de resistência – amostra NG’
As envoltórias de resistência foram traçadas a partir dos valores das resistências de pico
obtidos em cada ensaio. A equação para a linha média obtida a partir dos resultados
experimentais é:
τf = σ' x tg(φ’) + c’
onde: τf = resistência ao cisalhamento de pico
σ' = tensão normal
φ’ = ângulo de atrito efetivo
c’ = coesão efetiva
A partir dessas envoltórias determinaram-se os parâmetros de resistência ao cisalhamento
das amostras ensaiadas, apresentados na tabela 4.
Tabela 4 – Parâmetros de resistência ao cisalhamento
Amostras (Compactação) c’(kPa) φ’ (°)
NS’ (Proctor Normal) 9,00 23,41
NS’ (Proctor Intermediário) 22,20 27,28
LG’ (Proctor Normal) 95,60 24,40
LG’ (Proctor Intermediário) 118,40 20,81
NG’ (Proctor Normal) 51,00 23,18
NG’ (Proctor Intermediário) 43,20 19,51
Através da análise dos gráficos elaborados e dos parâmetros de resistência ao cisalhamento
obtidos, verificou-se a influência do aumento do teor de umidade ótimo para os corpos de
prova compactados na energia intermediária sobre a resistência ao cisalhamento dos solos.
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Sendo que o solo para energia intermediária o solo NG’ apresentou redução na resistência
ao cisalhamento em todas tensões aplicadas, o solo NS’ praticamente não demonstrou
variação de resistência embora tenha-se obtido ganho nos parâmetros de resistência
determinados através da envoltória de resistência e o solo LG’ apresentou ganhos de
resistência ao cisalhamento.
5. CONCLUSÃO
Analisando os resultados pode-se fazer as seguintes conclusões quanto a variabilidade da
resistência ao cisalhamento para as amostras de solos tropicais classificados pela MCT em
LG’, NS’ e NG’, compactadas nas energias normal e intermediária:
- a heterogeneidade do material contribui para o aumento do teor de umidade ótimo durante
a compactação na energia intermediária, fator que conforme observado nos ensaios de
cisalhamento direto interferiu com a variabilidade da resistência ao cisalhamento dos solos;
- a amostra classificada em LG’, embora o acréscimo de umidade, apresentou ganhos na
resistência ao cisalhamento de pico ao elevar a energia de compactação de normal para
intermediária, ressaltando o comportamento dos solos lateríticos que adquirem capacidade
de suporte quando compactados;
- as amostras de solo com comportamento não lateríticos, classificadas em NS’ e NG’ não
apresentaram ganhos na resistência de cisalhamento, apresentando redução na resistência
ao cisalhamento para amostra NG’ e não variando significativamente na amostra NS’.
Ressalta-se que o presente estudo não encerra o assunto tendo em vista sua complexidade.
O estudo da resistência ao cisalhamento dos solos tropicais compactados exige que sejam
ensaiadas uma quantidade maior de amostras e que sejam executados uma variedade
maior de ensaios para analisar melhor todas as propriedades relacionadas à variabilidade
da resistência ao cisalhamento.
REFERÊNCIAS
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Aluno: Leandro de Aquino Leão: [email protected];
Orientador: Prof. Dr. Rita Moura Fortes: [email protected]
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