ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO DO SOLO

O ensaio de cisalhamento direto do solo é uma das técnicas mais utilizadas na engenharia geotécnica para determinar os parâmetros Coesão e Ângulo de Atrito do solo. Esses parâmetros são fundamentais para projetar fundações, muros de arrimo, taludes e outras estruturas que interagem com o solo.

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Nosso laboratório é referência em ensaios geotécnicos, garantindo resultados precisos e confiáveis. Contamos com uma equipe altamente qualificada e equipamentos de última geração para assegurar a máxima qualidade nas análises.

IMPORTÂNCIA DO ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO E APLICAÇÕES

Conforme mencionado anteriormente, o ensaio de cisalhamento direto permite obter dois parâmetros fundamentais:

Ângulo de atrito interno (ϕ): Relacionado à resistência ao deslizamento entre partículas do solo.
Coesão (c): Representa a ligação entre as partículas.

Com base nesses parâmetros, é possível avaliar a condição de ruptura do solo, cuja resistência é expressa pela seguinte fórmula:

$\tau = c + \sigma \cdot tg\phi$

Sendo:
$\tau =$ Tensão cisalhante resistente do solo
$c =$ Coesão do solo
$\sigma =$ Tensão normal
$\phi =$ Ângulo de atrito do solo

A seguir, são apresentados exemplos práticos de aplicação do conceito de ruptura do solo e dos parâmetros obtidos no ensaio de cisalhamento direto:

ESTABILIDADE DE TALUDES

Os parâmetros de coesão (c) e ângulo de atrito interno (ϕ) são essenciais para o cálculo da estabilidade de taludes, pois definem a resistência ao cisalhamento do solo, ou seja, sua capacidade de resistir a forças que possam causar deslizamento.

$\tau = c + \sigma \cdot tg\phi$

RUPTURA DO SOLO EM FUNDAÇÕES DIRETAS (SAPATAS)

Embora a maioria das fundações seja projetada com base em métodos semi-empíricos e estatísticos derivados do ensaio SPT (Standard Penetration Test), o mecanismo de ruptura do solo está diretamente relacionado à sua resistência ao cisalhamento.

Ruptura do solo em fundações superficiais (sapatas)

O site Estude Engenharia já apresentou o passo a passo para dimensionar fundações diretas (sapatas ) utilizando os parâmetros de coesão (c) e ângulo de atrito interno (ϕ), aplicando a metodologia desenvolvida por Karl Terzaghi.

RUPTURA GLOBAL EM ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO E MURO DE ARRIMO

Assim como no cálculo da estabilidade de taludes, as estruturas de contenção e os muros de arrimo devem ser avaliados quanto à condição de ruptura global, utilizando os mesmos parâmetros geotécnicos fundamentais: coesão (c) e ângulo de atrito interno (ϕ).

Ruptura do solo em contenções e muros de arrimo

CÁLCULO DE EMPUXO DO SOLO

$k_{a} = tg^{2}\left ( 45^{\circ} - \frac{\phi' }{2} \right ) \rightarrow$ Coeficiente de empuxo ativo

$k_{p} = tg^{2}\left ( 45^{\circ} + \frac{\phi' }{2} \right ) \rightarrow$ Coeficiente de empuxo passivo

$\sigma_{h'a} = \sigma'_{v}\cdot K_{a} - 2\cdot C'\cdot \sqrt{K_{a}} \rightarrow$ Tensão horizontal ativa

$\sigma_{h'p} = \sigma'_{v}\cdot K_{p} + 2\cdot C'\cdot \sqrt{K_{p}} \rightarrow$ Tensão horizontal passiva

CISALHAMENTO DIRETO DO SOLO: MÉTODO DE ENSAIO

O ensaio de cisalhamento direto do solo tem como principal objetivo reproduzir a condição de ruptura do solo, um fenômeno crítico que pode ocorrer em diversas situações na engenharia geotécnica, como em taludes, fundações, estruturas de contenção e muros de arrimo.

TIPOS DE AMOSTRAS

As amostras utilizadas no ensaio podem ser:

Indeformadas
Moldadas em laboratório (compactada)

A utilização de amostras indeformadas em ensaios de cisalhamento direto do solo é recomendada para a avaliação das condições do terreno natural, enquanto as amostras moldadas em laboratório são mais frequentemente empregadas na análise da resistência de aterros compactados.

Solos compactados geralmente apresentam maior resistência, pois a compactação reduz o volume de vazios por meio de força externa (manual ou mecânica), proporcionando mais estabilidade ao solo. Esse processo resulta em:

Menor permeabilidade, devido à redução dos vazios.
Maior capacidade de suporte, aumentando a resistência mecânica.
Menor compressibilidade, reduzindo a deformação sob carregamento externo.

CONDIÇÃO DE ENSAIO

No ensaio de cisalhamento direto, a amostra pode ser testada em duas condições principais:

A seco / umidade natural : A amostra de solo é ensaiada sem a presença de água, o que representa condições não saturadas, como em solos acima do nível freático. Essa condição é útil para avaliar o comportamento do solo em estados secos ou parcialmente saturados.
Inundada: A amostra é mantida imersa em água durante o ensaio, simulando condições saturadas, típicas de solos abaixo do nível freático.

A condição inundada é a mais desfavorável para a resistência do solo. Por isso, ela é adotada para avaliar o cenário mais crítico.

ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO

O ensaio de cisalhamento direto é realizado em duas etapas principais:

Consolidação da amostra: Nessa fase, a amostra de solo é submetida a uma carga vertical constante, permitindo a dissipação da pressão intersticial e a acomodação das partículas do solo.
Cisalhamento: Após a consolidação, uma força horizontal é aplicada gradualmente para induzir o cisalhamento na superfície previamente definida da amostra. Durante essa fase, são medidas a tensão cisalhante e a deformação, permitindo a determinação da resistência ao cisalhamento do solo.

No Brasil, a ausência de uma norma específica para regulamentar o ensaio de cisalhamento direto leva os laboratórios a utilizarem como referência a norma norte-americana (ASTM D 3080) e a britânica (BS 1377-7).

1º PASSO: TALHAR A AMOSTRA DE SOLO

O primeiro passo é talhar a amostra de solo com o auxílio do molde cortador. Esse processo requer atenção, especialmente em solos arenosos, que tendem a desmoronar facilmente.

O ideal é posicionar o Molde Cortador sobre a amostra de solo e iniciar a remoção do material pelas laterais. À medida que o espaço é liberado, o molde pode ser pressionado para baixo, permitindo a inserção do solo de forma uniforme.

TALHAR AMOSTRA PARA ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO DO SOLO — TALHAGEM DE AMOSTRA PARA ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO DO SOLO

Após inserir o molde cortador na amostra, garantindo que o solo exceda a parte superior do molde, inicia-se a remoção do conjunto “molde + solo”.

Existem duas maneiras seguras de realizar a remoção, garantindo que o solo não sofra rupturas que comprometam a amostra dentro do molde:

Ao redor do molde cortador, faça perfurações diagonais (imagem à esquerda).
Utilize uma linha de aço para realizar o corte horizontal (imagem à direita).

Após remover o conjunto “molde + solo”, elimine o excesso de material acima e abaixo do molde.

AMOSTRA DE SOLO - CISALHAMENTO DIRETO — AMOSTRA DE SOLO – CISALHAMENTO DIRETO

Com a amostra devidamente preparada, realiza-se a pesagem do conjunto “molde + solo” para determinar o peso específico do solo. Além disso, para a determinação da umidade, são coletadas duas amostras do material solto durante o processo de talhagem.

2º PASSO: TRANSFERIR A AMOSTRA DO MOLDE CORTADOR PARA A CAIXA DE CISALHAMENTO

Após talhar a amostra com auxílio do molde cortador, é preciso transferir a amostra de solo para a caixa de cisalhamento.

MONTAGEM DA CAIXA DE CISALHAMENTO - OWNTEC — MONTAGEM DA CAIXA DE CISALHAMENTO – OWNTEC

Para isso, a caixa de cisalhamento deve ser montada conforme a imagem acima. Além disso, é essencial posicionar um papel filtro entre a placa porosa e a amostra de solo, evitando o acúmulo de partículas finas e prevenindo o entupimento dos poros da placa.

Em alguns equipamentos, há também uma placa ranhurada em contato com as faces superior e inferior da amostra de solo, proporcionando maior aderência e estabilidade durante o ensaio.

Após a montagem, conforme ilustrado na imagem acima, o bloco de carregamento superior é posicionado sobre a placa porosa superior, e a amostra é cuidadosamente inserida na caixa de cisalhamento. Esse processo deve ser realizado com atenção para preservar a integridade da amostra de solo.

Dicas importantes:

Após transferir a amostra de solo para a caixa de cisalhamento, verifique sua integridade para garantir a precisão do ensaio.
Durante a transferência da amostra de solo para a caixa de cisalhamento, certifique-se de que ela atingiu o final do curso, ou seja, que está em contato com o conjunto “pedra porosa + papel filtro” inferior. Para isso, aplique leves toques na placa de carregamento inferior para verificar se está firmemente posicionada. Tome cuidado para não exercer pressão excessiva, evitando a compactação indevida da amostra.

3º PASSO: MONTAGEM DA CAIXA DE CISALHAMENTO NO EQUIPAMENTO

Coloque a caixa de cisalhamento na caixa deslizante e ajuste o dispositivo de fixação para manter a metade inferior da caixa de cisalhamento estável durante o ensaio. Em seguida, posicione o sistema de carregamento vertical e ajuste o sensor de deslocamento vertical da amostra.

O deslocamento vertical pode ser medido por meio de deflectômetros analógicos ou sensores de deslocamento digitais, dependendo do equipamento utilizado.

4º PASSO: INÍCIO DA ETAPA DE CONSOLIDAÇÃO DA AMOSTRA

Após a montagem da caixa de cisalhamento no equipamento e o posicionamento dos sistemas de carregamento e medição do deslocamento vertical, inicia-se a primeira etapa do ensaio de cisalhamento direto do solo: a consolidação da amostra sob a tensão vertical previamente definida para o ensaio.

É fundamental registrar toda a deformação vertical da amostra durante a etapa de consolidação. Para isso, zere o medidor de deslocamento vertical antes de aplicar a carga e aguarde a estabilização do recalque.

CONSOLIDAÇÃO DA AMOSTRA - CISALHAMENTO DIRETO DO SOLO — CONSOLIDAÇÃO DA AMOSTRA – CISALHAMENTO DIRETO DO SOLO

A partir do deslocamento vertical e da nova altura da amostra, é possível calcular:

Massa específica aparente da amostra consolidada
Índice de vazios da amostra consolidada

O tempo necessário para a etapa de consolidação pode variar de alguns minutos a várias horas, dependendo de fatores como:

Granulometria: solos arenosos geralmente se estabilizam mais rapidamente em comparação aos solos argilosos.
Razão de pré-adensamento: solos mais compactos (pré-adensados) submetidos a cargas baixas tendem a sofrer menos recalque e se estabilizar mais rapidamente do que solos menos compactos sob cargas mais elevadas.
Condição de ensaio: amostras submersas, especialmente as argilosas, tendem a levar mais tempo para estabilizar o recalque.

Além disso, a etapa de consolidação da amostra é fundamental para definir a velocidade adequada do ensaio de cisalhamento do solo, como será abordado a seguir.

5º PASSO: DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE DO ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO DO SOLO

Para evitar o excesso de poropressão durante o ensaio, é essencial controlar a velocidade de aplicação do cisalhamento. Uma das formas de se determinar a velocidade ideal é feita por meio da curva de Taylor (Raiz do Tempo × Deslocamento Vertical), utilizando os dados obtidos na etapa de consolidação. Essa análise permite identificar o parâmetro T90, que corresponde ao tempo necessário para a dissipação de 90% do adensamento primário da amostra de solo.

Primeiro, estima-se o tempo até a falha utilizando a seguinte equação:

$t_{f} = 11,6 \cdot T_{90}$

O deslocamento necessário para que a amostra atinja a ruptura é estimado com base no tipo de solo e em seu histórico de tensões.

Caso não haja ensaios prévios, a norma ASTM D 3080 recomenda considerar:

$d_{f} = 0,5 \cdot pol \cong 10 mm \rightarrow$ Solos normalmente ou levemente adensados, ou seja, aqueles que no passado já estiveram sob pressões maiores do que as atualmente aplicadas.
$d_{f} = 0,2 \cdot pol \cong 5 mm \rightarrow$ Outros casos

Portanto, a velocidade de ensaio é dada por:

$Rd = \frac{d_{f}}{t_{f}} \left ( mm/min \right )$

Em ensaios onde o solo apresentem um T₉₀ (tempo necessário para atingir 90% do adensamento primário) reduzido, o cálculo da velocidade de ensaio pode indicar taxas relativamente altas. Nesse caso, utiliza-se o tempo mínimo para a falha d_f determinado pela norma:

TEMPO MÍNIMO PARA A FALHA, CISALHAMENTO DIRETO DO SOLO

De forma simplificada, as siglas do Sistema Unificado de Classificação dos Solos – SUCS (Unified Soil Classification System- USCS):

G: cascalho ou seixo
S: areia
M: silte
C: argila
W: bem graduado
P: mal graduado
H: alta compressibilidade
L: baixa compressibilidade

Dessa forma, podemos estabelecer a seguinte faixa de velocidades recomendadas:

Para solos arenosos, a velocidade típica varia entre 0,1 mm/min e 1 mm/min devido à rápida dissipação da poropressão.
Para solos argilosos, a velocidade deve ser muito menor, variando de 0,001 mm/min a 0,1 mm/min, dependendo da permeabilidade e do coeficiente de adensamento.

6º PASSO: CISALHAMENTO DIRETO DA AMOSTRA DE SOLO

Após a consolidação sob a tensão vertical aplicada, removem-se os parafusos de trava responsáveis pela fixação e alinhamento das metades inferior e superior da caixa de cisalhamento. Em seguida, utiliza-se os parafusos separadores para afastar as duas partes, garantindo uma abertura equivalente ao diâmetro máximo da partícula presente na amostra ou, no mínimo, 0,025 pol. (0,64 mm) para solos de granulação fina. Após esse ajuste, os parafusos separadores devem ser retirados para não gerar atrito.

A dinâmica do ensaio de cisalhamento direto do solo consiste na aplicação de um deslocamento horizontal a uma taxa constante (mm/min), previamente determinada conforme o 5º passo. Durante o ensaio, a metade inferior da caixa de cisalhamento se desloca em uma direção, enquanto a metade superior permanece fixa, resistindo ao movimento. Esse contraste de deslocamento gera tensões cisalhantes na amostra de solo, que se desenvolvem ao longo do plano de cisalhamento.

As tensões resultantes são transmitidas a um sistema de reação, responsável pela medição precisa da resistência ao cisalhamento do solo ao longo do ensaio.

Durante o ensaio, são registrados a força de reação horizontal, medida por um anel dinamométrico ou célula de carga, e o deslocamento vertical da amostra. Com esses dados, são gerados gráficos representativos, como os ilustrados abaixo.

CURVA DE DESLOCAMENTO VERTICAL - CISALHAMENTO DIRETO — CURVA DE DESLOCAMENTO VERTICAL – CISALHAMENTO DIRETO

CURVA TENSÃO CISALHANTE - CISALHAMENTO DIRETO — CURVA TENSÃO CISALHANTE – CISALHAMENTO DIRETO

RESULTADOS DO ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO DO SOLO

O ensaio de cisalhamento direto do solo é realizado para determinar dois parâmetros fundamentais:

Coesão do solo (C)
Ângulo de atrito do solo (Φ)

Para isso, executam-se todas as etapas mencionadas anteriormente para testar três amostras (no mínimo) sob diferentes tensões normais. Por fim, elabora-se o gráfico da envoltória de tensões, conforme ilustrado na imagem abaixo.

CISALHAMENTO DIRETO DO SOLO - ENVOLTÓRIA DE TENSÕES — CISALHAMENTO DIRETO DO SOLO – ENVOLTÓRIA DE TENSÕES

ANALISANDO RESULTADOS DO ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO DO SOLO

VARIAÇÃO DA ALTURA DA AMOSTRA DURANTE O ENSAIO

O deslocamento vertical durante o ensaio de cisalhamento direto depende das características do solo:

Solos normalmente adensados tendem a sofrer compressão devido à reacomodação dos grãos.

DESLOCAMENTO VERTICAL EM AREIA POUCO COMPACTA

Solos superadensados podem se expandir com a liberação de tensões internas.

A análise desse deslocamento é essencial para compreender o comportamento mecânico do solo sob esforço cisalhante.

TENSÃO DE PICO E TENSÃO RESIDUAL NO ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO DO SOLO

Dependendo do tipo de solo, o gráfico Tensão x Deformação pode apresentar diferentes comportamentos:

TENSÃO DE PICO BEM DEFINIDA

Tensão de pico: Representa a máxima resistência ao cisalhamento que o solo pode atingir antes de iniciar um processo de deformação progressiva. Solos compactos, cimentados ou com estrutura bem definida costumam apresentar um pico bem marcado.
Tensão residual: Corresponde à resistência ao cisalhamento remanescente após a ruptura inicial do solo, quando as partículas já se reacomodaram ao longo do plano de cisalhamento. Esse valor é especialmente relevante para solos argilosos, que podem sofrer redução significativa na resistência após a ruptura inicial.

TENSÃO DE PICO NÃO DEFINIDA

Solos pouco compactos e arenosos tendem a não apresentar uma tensão de pico claramente definida.

A ruptura do solo torna-se claramente perceptível quando a tensão de pico é bem definida, caracterizando um ponto máximo de resistência seguido por uma queda na tensão cisalhante. No entanto, para solos sem uma tensão de pico bem delimitada, é essencial analisar o comportamento da amostra ao longo de todo o deslocamento até atingir o curso máximo. Estudos indicam que a ruptura ocorre com deformações da ordem de 10% e 20% da amostra, sendo fundamental garantir que o ensaio prossiga até, no mínimo, 10% de deformação, evitando interpretações imprecisas dos parâmetros de resistência ao cisalhamento.

CONCLUSÃO

O ensaio de cisalhamento direto do solo é uma ferramenta essencial para avaliar a resistência ao cisalhamento e entender o comportamento mecânico dos solos sob diferentes condições de carga. Ele permite obter parâmetros fundamentais para projetos de engenharia geotécnica, como a coesão (c’) e o ângulo de atrito interno (φ’), garantindo maior segurança e eficiência em obras de fundação, taludes, aterros e pavimentação.

A correta execução do ensaio, considerando fatores como consolidação, taxa de cisalhamento e interpretação dos resultados, é indispensável para obter dados precisos e confiáveis. Por isso, contar com um laboratório especializado faz toda a diferença na qualidade da análise e na segurança dos projetos.

Se você deseja realizar o ensaio de cisalhamento direto do solo, entre em contato conosco e solicite um orçamento. Nossa equipe técnica possui experiência e equipamentos de alta precisão para garantir resultados confiáveis.

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ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO DO SOLO