Tensões no solo e capilaridade

CAPÍTULO 5 TENSÕES NOS SOLOS – CAPILARIDADE

5.1  Conceito de tensões num meio particulado

Deve-se partir do conceito de tensões, para a aplicação da Mecânica dos Solos 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.

A forma na qual as forças são transmitidas entre as partículas é complexa e depende do tipo de mineral. Em partículas maiores (silte e areia), a transmissão é feita pelo contato direto mineral-mineral. Em partículas mineral-argila as forças de contato são muito pequenas e a transmissão se dá pela água adsorvida quimicamente.

Um corte plano numa massa de solo interceptaria grãos e vazios e eventualmente poucos contatos. Considera-se que seja possível colocar uma placa no interior do solo. Muitos grãos transmitirão forças (normais e tangencias) a superfície da placa. Como é impossível desenvolver modelos com base nas forças, a sua ação é substituída pelas tensões.

A somatória das forças normais, dividida pela área é definida como tensão normal:

[pic 1]

A somatória das forças tangenciais, dividida pela área é definida como cisalhante:

[pic 2]

O contato solo-placa pode ser assumido para qualquer outro plano, quando se leva em conta as forças transmitidas no interior das partículas seccionadas ou segundo o ajuste do contato entre os grãos na superfície ondulada.

As tensões assim definidas são bem menores que as tensões que ocorrem no contato real entre as partículas. Podem chegar a 700 MPA, e na engenharia raramente ultrapassam 1 MPA. As áreas de contato real são menores que 1% da área total e para efeito prático, as áreas de contato são desprezíveis.

5.2  Tensões devidas ao peso próprio do solo

Nos solos ocorrem tensões devidas ao peso próprio e as cargas aplicadas. As tensões devidas ao peso próprio não podem ser desconsideradas. Analisando um terreno de superfície horizontal, a tensão atuante é normal ao plano a certa profundidade. Não há tensão cisalhante, pois as componentes tangenciais tendem a se sobrepor, anulando a resultante.

Num plano, acima do nível d’água, peso do prisma dividido pela área indica a tensão vertical:

[pic 3]

Quando o solo é constituído de camadas aproximadamente horizontais, o somatório dos efeitos resulta na tensão vertical.

5.3  Pressão neutra e conceito de pressão efetiva

A pressão total no plano abaixo do nível de água (lençol freático) será a soma dos efeitos das camadas superiores.

A pressão exercida pela água no interior dos vazios, sobre o solo, dependerá somente de sua profundidade em relação ao nível de água. Essa pressão é dada por:

[pic 4]

Terzaghi notou a diferença entre a natureza das forças atuantes e concluiu que a tensão normal num plano é a soma de duas parcelas:

1 – tensão efetiva  que é a tensão transmitida pelo contato entre as partículas;[pic 5]

2 – pressão da água ou pressão neutra .[pic 6]

Terzaghi ainda estabeleceu o Princípio das Tensões Efetivas (PTE), expresso em:

1 – para os solos saturados: [pic 7]

2 – os efeitos mensuráveis (compressão, distorção e resistência ao cisalhamento), são devidos as variações das tensões efetivas.

As deformações no solo são distintas das deformações de outros materiais. No concreto, elas correspondem à mudança de forma ou volume, com os elementos se deslocando e mantendo suas posições relativas. No solo, as deformações resultam do deslocamento relativo das partículas e corresponde a variação de forma e volume do conjunto.

Individualmente, a compressão das partículas é desprezível em relação às deformações dos deslocamentos das partículas. Por isto as deformações resultam da variação das tensões efetivas.

O PTE é muito importante e merece atenção especial. Se aumentarmos a tensão total e a pressão da água em conjunto de partículas com os vazios cheios de água, as partículas serão comprimidas. As forças transmitidas nas partículas abaixo e nas quais ela se apóia não se altera, pois a área de contato entre elas é muito pequena e ocorrem acima e abaixo de qualquer partícula. Em conseqüência a tensão efetiva não se altera. Sob o ponto de vista prático o solo não se deforma por efeito desse acréscimo de tensão, e é isso que o PTE fala.

Através de uma esponja cúbica com aresta de 10 cm, colocada em um recipiente com água, é possível visualizar o conceito de tensão efetiva. Colocando um peso de 10 N sobre a esponja, as tensões no interior da esponja serão majoradas e a pressão será de 1 KPA. O acréscimo de tensão foi efetivo, pois ela se deforma e expulsa a água de seu interior.

Se ao invés de colocar o peso, nível da água fosse aumentado em 10 cm, a pressão sobre a esponja seria de 1 KPA e a tensão dentro da esponja também. Mas a esponja não se deforma, pois a pressão atua nos vazios da esponja e sua estrutura não sente a ação da pressão, por isso o acréscimo de pressão é neutro. O mesmo acontece com o solo, por esta razão, uma argila ou areia do mar a 1000 m de profundidade pode estar tão mole ou fofa como o solo de um lago de pequena profundidade.

Considerando um perfil de subsolo, com nível d’água na cota -1,00 m, as pressões neutras crescem linearmente com a profundidade. As tensões efetivas são as diferenças. Se rebaixarmos o nível d’água, as tensões totais pouco se alteram, pois o peso específico não se altera. A pressão neutra diminui e consequentemente, a tensão efetiva aumenta.

A tensão efetiva é responsável pelo comportamento mecânico do solo e só mediante análise das tensões efetivas se consegue estudar a resistência e deformação dos solos. Deve-se notar que a pressão neutra é a pressão da água provocada pela posição do solo em relação ao nível d’água.

O PTE é justificado por exemplos como os apresentados. Terzaghi evidenciou que certos aspectos do comportamento dos solos (deformação e resistência) dependem da variação da tensão efetiva. Mas o PTE deve ser considerado somente como modelo que justifica o comportamento do solo em situações importantes. A primeira parte do PTE é correta, mas a segunda não leva em consideração a viscosidade das argilas.

Cálculo das tensões efetivas com o peso específico aparente submerso

Para a cota -3,0 m até a -7,0 m, a tensão efetiva é a diferença entre a tensão total menos a pressão neutra: