Mecânica dos Solos

1. Mecânica dos Solos Tensões nos Solos

2. Tensões nos solos Deve-se partir do conceito de tensões, para a aplicação da Mecânica dos Sólidos Deformáveis aos solos. Podemos considerar que os solos são constituídos de partículas e que forças aplicadas a eles são transmitidas de partícula a partícula, além das que são suportadas pela água dos vazios.

3. Tensões nos solos A maneira na qual as forças que são transmitidas entre as partículas é muito complexa e depende do tipo de mineral. Nas partículas maiores como os grãos de silte e areias, a transmissão é feita através do contato direto de mineral a mineral. Nas partículas de mineral argila, devido serem elas um número muito grande as forças em cada contato são muito pequenas e a transmissão pode acontecer através da água quimicamente adsorvida.

4. Tensões nos solos Em grande parte dos problemas de engenharia de solos, é necessário o conhecimento do estado de tensões em pontos do subsolo, antes e depois da construção de uma estrutura qualquer. As tensões na massa de solo são causadas por cargas externas ou pelo próprio peso do solo.

5. Tensões nos solos As tensões que ocorrem nos solos são devido ao peso próprio e às cargas que são aplicadas nele. Conforme podemos ver o perfil do solo na figura 1 onde o nível do terreno (NT) é horizontal não há carregamento externo (cargas aplicadas e distribuídas) próxima a região considerada e a natureza do solo não varia horizontalmente, caracterizando uma situação de tensões geostáticas.

6. Tensões nos solos Figura 1 - Perfil Geotécnico

7. Tensões nos solos Quando a superfície de um terreno for horizontal aceita-se que em um elemento de solo situado abaixo do NT a uma profundidade “z”, não haverá tensões cisalhantes em planos verticais e horizontais, portanto estes serão os planos principais de tensões.

8. Tensões nos solos Em uma situação de tensões geostáticas, portanto, a tensão normal vertical inicial( ) no ponto “A” pode ser obtida considerando o peso do solo acima do ponto “A” dividido pela área. onde: P = (peso do prisma) V = (volume do prisma) A = (área do prisma) = peso específico natural do solo

9. Tensões nos solos Se o solo acima do ponto “A” for estratificado, isto é, composto de “n” camadas, o valor de é dado pelo somatório de , onde “i” varia de 1 a n.

10. Tensões nos solos Na figura 2 abaixo veremos um solo composto de várias camada horizontais e a tensão será o somatório do efeito das diversas camadas. Figura 2- Tensões totais verticais no subsolo. Pinto (2000)

11. Pressão neutra e tensões efetivas. Imaginemos agora um que o ponto “A” esteja abaixo de um lençol freático, sendo que em relação ao NT a profundidade é za. A tenção total no ponto “ A” será a soma dos efeito das camadas superiores. A pressão que a água fará no solo será independente da porosidade deste. A pressão dependerá da profundidade do ponto “A” em relação ao nível freático.

12. Pressão neutra e tensões efetivas. Perfil geotécnico. Solo saturado

13. Pressão neutra e tensões efetivas. Sendo que a pressão da água é: = pressão neutra ou poro-pressão = peso específico da água, tomado igual a 10 kN/m3 = 1g/cm3 = profundidade em relação ao nível da água.

14. Pressão neutra e tensões efetivas. Terzaghi notou a diferença da natureza das duas forças atuantes e chegou a conclusão que a tensão total num plano qualquer deve ser considerada como a soma das suas parcelas: 1 – a tensão efetiva( )que é a tensão transmitida pelos contatos entre as partículas. 2 – a pressão neutra ( ) ou poro-pressão é a pressão da água.

15. Pressão neutra e tensões efetivas. Terzaghi estabeleceu o Princípio das Tensões Efetivas, que pode ser expresso em duas partes: 1) “A tensão efetiva, para solos saturados, pode ser expressa por: 2) Todos os efeitos mensuráveis resultantes de variações de tensões nos solos, como compressão, resistência ao cisalhamento são devido a variações de tensões efetivas”.

16. Pressão neutra e tensões efetivas. Através de uma esponja cúbica, com 10 cm de aresta, colocada num recipiente como mostra a figura 3 , poderemos visualizar o conceito de tensão efetiva.

17. Pressão neutra e tensões efetivas. Na posição (a), com água até a superfície superior, as tensões resultam do seu peso e da pressão da água; ela está em repouso. Fig. 3 - Simulação para o entendimento do conceito de tensão efetiva (PINTO, 2000)

18. Pressão neutra e tensões efetivas. Quando se coloca um peso de 10N sobre a esponja , as tensões no interior da esponja serão majoradas e a pressão aplicada será de 1kPa(10N/0,01 m2). O acréscimo de tensão foi efetivo, pois a esponja se deformará expulsando água do seu interior. Fig. 4 - Simulação para o entendimento do conceito de tensão efetiva (PINTO, 2000)

19. Pressão neutra e tensões efetivas. Se o nível da água fosse elevado de 10cm, a pressão atuante sobre a esponja seria também de 1kPa( 10 kN / m3 x 0,1 m), e as tensões no interior da esponja seriam majoradas deste mesmo valor. Mas a esponja não se deforma. A pressão da água atua também nos vazios da esponja e a estrutura sólida não “sente” a alteração das pressões.

20. Pressão neutra e tensões efetivas. O acréscimo de pressões foi neutro. Fig. 5 - Simulação para o entendimento do conceito de tensão efetiva (PINTO, 2000)

21. Pressão neutra e tensões efetivas. No solo ocorre o mesmo fenômeno. Se é aplicado um carregamento na superfície do terreno, as tensões efetivas aumentam, o solo se comprime e parte da água é expulsa de seus vazios, mesmo que lentamente. Se o nível de uma lagoa se eleva , o aumento da tensão total provocado pela elevação é igual ao aumento da pressão neutra nos vazios e o solo não se comprime .

22. Pressão neutra e tensões efetivas. No perfil do subsolo a seguir o nível de água está na cota -1,0m. As tensões totais são calculadas como foi mostrado anteriormente. As pressões neutras são resultantes da profundidade, crescendo linearmente. As tensões efetivas são as diferenças. Se o nível d’água for rebaixado, as tensões totais pouco se alteram, porque o peso específico do solo permanece o mesmo

23. Pressão neutra e tensões efetivas. A pressão neutra diminui e consequentemente, a tensão efetiva aumenta. Fig. 6 - Tensões totais, neutras e efetivas no solo (PINTO, 2000)

24. Pressão neutra e tensões efetivas. Cálculo da tensões efetivas com o peso específico aparente submerso. No exemplo anterior o acréscimo de tensão efetiva da cota -3m até a cota -7m, é o resultado do acréscimo da tensão total menos o acréscimo da pressão neutra.

25. Pressão neutra e tensões efetivas. O acréscimo da tensão efetiva também pode ser calculado por meio do peso específico submerso do solo.

26. Fenômenos Capilares Em alguns solos ocorre a capilaridade, que é a ascensão da água entre os interstícios de pequenas dimensões deixados pelas partículas sólidas, além do nível do lençol freático. A altura alcançada depende da natureza do solo.

27. Fenômenos Capilares Na figura a seguir verifica-se que o solo não se apresenta saturado ao longo de toda altura de ascensão capilar, mas somente até um certo nível, denominado nível de saturação. Fig. 7 - Distribuição da umidade do solo (Caputo, 2000)

28. Fenômenos Capilares A altura capilar que a água alcança em um solo se determina, considerando sua massa como um conjunto de tubos capilares, formados pelo seus vazios, sendo que estes tubos são irregulares e informes. Fig. 8 - Conjunto de tubos capilares (Caputo, 2000)

29. Fenômenos Capilares O peso de água num tubo com raio r e altura de ascensão capilar hc é : Considerando a tensão superficial T atuado em toda a superfície de contato água –tubo, a força resultante é igual a:

30. Fenômenos Capilares igualando-se as expressões tem-se: ou para fins práticos: (com d em cm) onde d é o diâmetro dos poros.

31. Fenômenos Capilares Portanto nos solos arenosos e pedregulhosos onde os poros são maiores, a altura de ascensão capilar está entre 30cm e 1 m, nos solos siltosos e argilosos a altura de ascensão capilar pode chegar a dezenas de metros, devido os poros destes solos serem menores.

32. Fenômenos Capilares O fenômeno de capilaridade influencia no cálculo da tensão efetiva ( ), pois água nos vazios do solo, na faixa acima do lençol freático, mas com ele comunicada, está sob uma pressão abaixo da atmosférica. A pressão neutra é negativa. Neste caso a tensão efetiva será maior que a tensão total. A pressão neutra negativa provoca uma maior força nos contatos dos grãos, aumentando a tensão efetiva.

33. Fenômenos Capilares No exemplo a seguir vemos que o solo superficial é uma areia fina, cuja a ascensão capilar deve ser superior a um metro. A água tende a subir por capilaridade e toda faixa superior poderá estar saturada, com água em estado capilar. Fig. 9 - Tensões no subsolo, considerando as tensões capilares (PINTO, 2000)

34. Fenômenos Capilares Como podemos ver a pressão neutra varia linearmente, desde zero na cota do nível d’água até o valor negativo na superfície, correspondente à diferença de cota. Portanto a camada superior de 1 m não está seca, a tensão efetiva passa a ser de 10kN/m2 e não nula. Como a resistência das areias é diretamente proporcional à tensão efetiva, a capilaridade confere a este terreno uma sensível resistência.

35. Referências Bibliográficas CAPUTO, Homero Pinto. Mecânica dos Solos e suas Aplicações. 6 ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora, 2000. 234 p. PINTO, Carlos de Souza. Curso Básico de Mecânica dos Solos, em 16 Aulas. 1 ed. São Paulo: Oficina de Textos, 2000. 247 p.