Algumas notas acerca do comportamento mecânico dos solos

Transcrição

1 DFA em Engenharia de Estruturas Fundações de Estruturas Algumas notas acerca do comportamento mecânico dos solos Jaime A. Santos (IST)

2 Algumas particularidades do comportamento dos geomateriais Aço e Betão Artificial Produto Relativamente uniforme Variabilidade pequena Propriedade estável Relativamente simples vs vs vs vs vs Solos e Rochas Natural Pode ser extremamente não uniforme Variabilidade extremamente elevada Propriedade variável Geralmente muito complicado

3 Variabilidade das propriedades dos materiais

4 Propriedade variável (nos geomateriais) devido a variações: - na compacidade; grau de saturação - efeito da tensão de confinamento; história recente das tensões e deformações, consolidação, fluência Tensão Propriedade estável versus Propriedade variável Efeito da tensão de confinamento num solo granular Elevada tensão de confinamento Baixa tensão de confinamento Tensão de confinamento nula Deformação

5 Comportamento tensão-deformação Comparação entre: aço, solo e água Materiais Deformabilidade Capacidade de memória Efeito da história das tensões-deformações no comportamento presente Aço: Dom. Elástico Muito reduzida Quase nenhuma Quase nenhum Pós-cedência Reduzida Muito elevada Muito pequeno Solo Reduzida a muito elevada Elevada a Quase nenhuma Reduzido a Elevado Reduzido a quase nenhum Água Muito elevada Quase nenhuma Quase nenhum

6 Em certas situações, o solo pode transformar-se num líquido..

7 Estudo na mesa sísmica para analisar a estabilidade de uma conduta num depósito arenoso susceptível à liquefacção (Universidade de Tokyo Acção imposta:180gal, 10Hz, 10s Areia não compactada estado solto, D r =20% Areia compactada nas zonas adjacentes, D r =70%

8 Noutras situações, o solo pode exibir elevadas características mecânicas..

9 Areia sob elevada tensão de confinamento: G 0 = ( e ) 1 + e 2 σ 05. o ( kpa) Areia Ottawa Para e = 0.5, σ' 0 = 1000kPa tem-se: G 0 = 406 MPa E 0 = 2(1+ν)G 0 = 893 MPa! (ν=0.1)

10 Comportamento não linear dos solos σ 1 E 0 E tan A 1 1 E sec 1 E eq ε

11 Jardine (1985; 1992) q Zona I Zona II Zona III Y2 Y1 Y3 p'

12 Curvas G, ξ em função de γ τ G 0 1 G G,ξ G 0 G ξ 1 γ ~10-6 γ

13 Zona A Zona B Zona C Muito pequenas distorções Pequenas distorções Médias a Grandes distorções ξ Linear Não linear Praticamente sem degradação Com degradação γ t e γ t v G/G 0 γ (em escala logarítmica)

14 Principais factores que afectam o G 0 Tensão efectiva média (na direcção da propagação da onda e na direcção da vibração da partícula) Índice de vazios Efeito do tempo (argilas) Grau de saturação (argilas e siltes) Cimentação

15 Módulo de distorção inicial: G 0 =A F(e) p' n Areias menor % finos bem graduado Argilas menor IP maior OCR G 0 e

16 Estado de pico, estado crítico e estado residual τ τ pico τ c σ' c te Areia densa τ Estado de pico Areia solta τ i Rotura (estado crítico) L/L o σ' i σ'

17 Importância do G 0 Para prever as deformações do terreno (verificação da funcionalidade das estruturas) é importante caracterizar as propriedades elásticas dos materiais, porque: 1) as deformações induzidas no terreno são relativamente pequenas; 2) as deformações são portanto essencialmente elásticas, embora o comportamento tensão-deformação possa ser altamente não linear.

18 Assentamento das fundações da ponte Akashi Strait (Taksuoka, 2001)

19 Ponte Akashi Strait

20

21

22

23 Extensões verticais Vertical v Pi er 2P Pi er 3P Sistema de medição das extensões verticais no cascalho e na rocha branda sedimentar segundo o eixo da fundação Pier 2P: B=80m, σ=530kpa Pier 3P: B=78m, σ=480kpa Profundidade (m) El evat i on@tp-(m)

24 Como medir o G 0? 1. Técnicas que baseiam-se na teoria da propagação das ondas (velocidades) G 0 =ρv S2 ; M 0 =ρv P 2 2. Técnicas que baseiam-se na teoria da elasticidade (tensões-deformações): G 0 =τ/γ ; E 0 =σ/ε (γ, ε= L/L 10-6 )

25 Variabilidade muito elevada entre os valores obtidos nos diferentes ensaios -50 Kobe: rochas brandas E 0 Valor médio TC-CD (medição interna - LDTs) Profundidade (m) E 50 (compressão simples, medição externa) E BHLT : carregamento primário E PLT : módulo tangente no carregamento primário E f (a partir de V s ) E (MPa)

26 Deviator stress, q (MPa) q = 9.39 MPa, E max 0 = 1520 MPa Axial strain, ε (%) 0.04 Sedimentary soft sandstone (Kobe Formation) (CD) σ '= 0.51 MPa h LDT External v Deviator stress, q (MPa) LDT Axial strain, ε (%) v External Deviator stress, q (MPa) E 0 = 1520 MPa Axial strain, (ε ) (%) v LDT Triaxiais de compressão em amostras indeformadas reconsolidadas para as tensões in situ

27 Erros de medição no triaxial clássico (medição externa) Erros devidos a: Faces não perfeitamente planas Faces não perfeitamente paralelas Atrito nas faces

28 Sistema triaxial utilizado na Universidade de Tokyo. Instrumentos de elevada precisão

29 Sistema triaxial para provetes de 30 cm de diâmetro Universidade de Tokyo Instrumentos de elevada precisão

30 Instrumentos de elevada precisão Membrane Pseudo-hinge Sistema desenvolvido no Institute of Industrial Science, University of Tokyo, 1986 Phosphor bronze strain-gaged strip LDT Gage leadwire Terminal Active e.r.s.g. B' No. 1 A D' C No. 2 Instrument leadwire Heart of LDT (includes electric resistance strain gages, terminals, wiring, sealant) Teflon tube protection (Front) Front face (tension side) PB strip Scotch tape used to fix wire on the specimen surface No. 3 No. 4 A' C' D B Back face (compression side) Instrument Leadwire (Back) Membrane Surface Medições internas recorrendo a sensores LDT; Local deformation transducer (Goto et al., 1991)

31 Instrumentos de elevada precisão Argila rija: H=12 cm ; D=5 cm Areia+cimento: H=60 cm ; D=30 cm

32 Instrumentos de elevada precisão Transdutores LVDT submersíveis LVDT radial LVDT axial

33 Ensaios de campo (mais utilizados) para avaliação do módulo de distorção dos solos Ensaio Sísmico entre furos de sondagem "Crosshole seismic testing" Sísmico ao longo de furos de sondagem, com fonte à superfície "Downhole seismic testing" Sísmico ao longo de furos de sondagem, com fonte no interior do furo "Uphole" Piezocone sísmico Refracção e reflexão sísmica Vibração em regime permanente Análise espectral de ondas de superfície Princípio da técnica do ensaio determinação da velocidade de propagação das ondas de corte determinação da velocidade de propagação das ondas de superfície Nível de distorção ~ 10-6 ~ 10-6 Ensaio pressiométrico (auto-perfurador) curva tensão-deformação > 10-3

34 Ondas de volume

35 Ensaios sísmicos entre furos de sondagem (cross-hole) Sismógrafo ~_ 3m ~_ 3m Martelo sísmico Geofones

36 Oscilloscope Author: Paul W. Mayne Crosshole Testing ASTM D 4428 Pump t Shear Wave Velocity: V s = x/ t Test Depth Downhole Hammer (Source) packer Note: Verticality of casing must be established by slope inclinometers to correct distances x with depth. PVC-cased Borehole Slope Inclinometer x PVC-cased Borehole Velocity Transducer (Geophone Receiver) Slope Inclinometer

37 Ensaio sísmico ao longo do furo de sondagem (down-hole) Martelo Geofone

38 Oscilloscope Author: Paul W. Mayne Pump Downhole Testing Horizontal Plank with normal load t Hammer x z 1 z 2 packer Test Depth Interval Shear Wave Velocity: V s = R/ t R 12 = z 12 + x 2 R 22 = z 22 + x 2 Horizontal Velocity Transducers (Geophone Receivers) Cased Borehole

39 Seismic Cone Penetration Test The Seismic Cone Penetration Test combines the seismic downhole technique with the standard Cone Penetration test. A seismic receiver is added to the cone, then the similar procedure as the one followed with the seismic downhole test is used. The shear wave velocity calculation, therefore, is similar to that of the downhole. The advantages of SCPT are: its speed, the fact that it provides static soil properties (such as point bearing and sleeve frictional resistance), as well as ground proofing and stratigraphy of the site.

40 Seismic Refraction ASTM D 5777 oscilloscope Note: V p1 < V p2 Determine depth to rock layer, z R Source (Plate) z R x1 x2 x3 x4 t1 t2 Vertical Geophones t3 t4 Soil: V p1 Rock: V p2

41 t values Travel Time (seconds) x values Seismic Refraction z x c= 2 Horizontal Soil Layer over Rock V V V p2 + V c p2 p1 1 V p1 = 1350 m/s p1 x c = 15.0 m V p2 = 4880 m/s Distance From Source (meters) 1 Depth to Rock: z c = 5.65 m