AraĢtırma Takvimi

A ruptura de diversos sistemas geotécnicos é tipicamente caracterizada pelo desenvolvimento de zonas concentradas de cisalhamento intenso na massa de solo, denominadas localizações de deformação ou superfícies cisalhantes, sendo suficientes deformações cisalhantes de pequena magnitude para sua manifestação (Desrues et al. 1985). A propagação da localização no solo ocorre em virtude do decréscimo da resistência do material na zona cisalhante, o qual direciona o acúmulo

das deformações iminentes a esta região específica, aumentando gradualmente seu comprimento. Didaticamente, os mecanismos decorrentes da interação solo-estrutura podem ser analisados segundo dois grupos distintos: aqueles provenientes do arqueamento ativo e os associados ao arqueamento passivo.

2.2.1. Condição Ativa

Com base em observação experimental, o mecanismo de ruptura causado pela translação de uma base rígida horizontal de modo a provocar uma condição ativa em um meio não-coesivo, caracterizando uma instalação rasa, é esquematicamente ilustrado na Figura 2.10 (Vardoularkis et al. 1981, Stone e Muir Wood 1992, Tanaka e Sakai 1993, Santichaianant 2002). Uma localização inicial OA é formada a partir da aresta do alçapão (ponto O) e se propaga em direção ao centro do mesmo, dividindo o solo em duas regiões distintas. O caminhamento seguido por OA é governado pela dilatação do solo. O ângulo de inclinação com a vertical de uma tangente a OA em qualquer ponto é igual ao ângulo de dilatação do solo (ψ) nas proximidades do ponto de interesse, no momento de formação da localização.

Dessa forma, OA parte do ponto O com uma inclinação θOA igual ao ângulo

de dilatação do solo em O. A localização atinge o ponto A quando o alçapão chega a

δ1, com uma inclinação θA igual à dilatação do solo em A. Uma vez que o

confinamento em A é menor que em O, a dilatação em A é maior que em O, de modo que θA > θOA. Assim, a variação da tensão geostática com a profundidade é

responsável pela forma curva da localização. Durante a propagação, o aumento das deformações cisalhantes leva o solo em OA ao estado crítico e, conseqüentemente, ψ decresce do valor associado à formação da localização até zero. Vardoulakis (1981) observou que um deslocamento relativo entre os lados da localização de aproximadamente metade de sua espessura foi suficiente para levar o ângulo de

dilatação de uma areia com diâmetro médio (D50) de 0,33 mm do pico a zero. À

medida que OA se propaga dentro da massa de solo, sua incompatibilidade com o deslocamento do alçapão aumenta.

Deslocamentos adicionais da base provocam o surgimento de uma nova localização, OB, orientada segundo um ângulo com a vertical igual a θOB. Uma vez

que a dilatação na região do ponto O é comparativamente inferior neste estágio, OB é propagada com menor inclinação com a vertical (i.e., θOB < θOA). Quando o alçapão

atinge δ2, a localização alcança o ponto B. Uma vez mais, uma nova localização é

formada em resposta ao movimento do alçapão. Estudos radiográficos mostram que a mudança do mecanismo de deformação de uma localização para a seguinte é abrupta e que o solo entre ambas permanece praticamente rígido, não interferindo no processo de deformação (Stone e Muir Wood 1992). A rigor, a massa de solo entre as localizações não pode ser exatamente classificada como rígida, uma vez que também sofre deformação.

Figura 2.10. Mecanismo de ruptura envolvendo a translação de um alçapão em arqueamento ativo.

A condição final na Figura 2.10 é associada a uma localização aproximadamente vertical, representada pela curva OC, desenvolvendo-se plenamente quando a base atinge δ3. Neste estágio, o solo em O já atingiu o estado

crítico, de forma que a localização se propaga verticalmente. Uma depressão na superfície do maciço é observada acima do alçapão. Se a translação do alçapão for mantida, localizações se propagando para a massa de solo exterior ao alçapão podem

surgir. A Figura 2.11 exibe dados coletados em obras envolvendo a construção de túneis, com os quais o ângulo externo de inclinação da localização com a vertical (β) foi estimado. A figura apresenta a faixa de variação de β e da largura da bacia de recalque na superfície do terreno (w) com o tipo de solo e a profundidade.

Na prática, os padrões de localizações no solo em arqueamento ativo podem ser muito mais complexos do que o esquema da Figura 2.10, e dependem da combinação de diversos fatores. Os mais importantes são a densidade e o confinamento, os quais controlam o comportamento volumétrico do solo. Particularmente, o tamanho da partícula do solo também tem se mostrado significante nesse aspecto. Stone e Muir Wood (1992) observaram que para um mesmo deslocamento δ, o número de localizações formadas aumenta com a diminuição de D50. Com base em ensaios de deformação plana, Shibli (1995) reporta

que a espessura da localização decresce de forma não-linear com o aumento de D50.

Figura 2.11. Inclinação de localizações externas em túneis abertos em diversos tipos de solo (Hunt 1986).

2.2.2. Condição Passiva

2.2.2.1. Movimento Vertical Ascendente

A propagação de localizações em um material não-coesivo, resultante da translação vertical de uma base rígida horizontal, de modo a induzir o arqueamento passivo na

massa de solo, pode ser idealizada através da Figura 2.12, reproduzida de Walters e Thomas (1982). Quando a base é deslocada verticalmente, em movimento ascendente, a massa de solo situada sobre sua parte superior é solicitada, originando localizações partindo das extremidades da estrutura que se propagam segundo uma determinada inclinação (Figuras 2.12a e b). A depender da distribuição de tensões ao longo da profundidade na massa de solo, a superfície poderá apresentar-se curva. Da mesma forma que no caso ativo, a localização final será aproximadamente vertical, uma vez que o solo se encontrará no estado crítico (Figura 2.12c).

Figura 2.12. Desenvolvimento de localizações com um alçapão provocando arqueamento passivo (Walters e Thomas 1982).

Meyerhof e Adams (1968) relatam o surgimento de superfícies inclinadas com uma discreta curvatura em ensaios com ancoragens em placas circulares submetidas a arrancamento vertical. Em areia compacta e com H/B = 2,5 foram observadas superfícies inclinadas partindo da extremidade da ancoragem e terminando na superfície do terreno. Com H/B = 4,5 foi verificado que, apesar de iniciarem sob determinada inclinação, as superfícies cisalhantes interceptaram

verticalmente a superfície do solo. Em areia fofa, localizações verticais foram observadas em ambas as profundidades, uma vez que, nesse caso, a areia na região da descontinuidade estava mais próxima do estado crítico. Entretanto, para H/B = 4,5 a superfície cisalhante prolongou-se até uma altura igual a aproximadamente 2B, ao passo que para H/B = 2,5 a localização interceptou a superfície do terreno. Da mesma forma, Kulhawy et al. (1987) averiguaram que, para H/B < 2 e com solo de

aterro com Dr de pelo menos 85% a ruptura de ancoragens envolve uma zona

delimitada por superfícies curvas ou superfícies inicialmente verticais que passam a ser curvas a partir de certo ponto.

Rowe e Davis (1982a) verificaram que a ruptura de uma ancoragem extraída verticalmente em um meio com lei de fluxo associada com φ = ψ = 300

envolve uma zona plástica com extensão superior a 5B. A ruptura da mesma ancoragem em um solo no estado crítico (ψ = 00 _{e φ = 30}0

) mobiliza uma região com extensão de apenas 1,5B. Os autores apontam que o efeito da dilatação do solo torna-se mais evidente a partir de H/B > 3.

O desenvolvimento de localizações de deformações em condutos rígidos enterrados e submetidos a movimentação vertical ascendente ocorre de forma semelhante ao observado em alçapões e ancoragens (Dickin 1994). As localizações partem da linha d’água e adentram a massa de solo segundo uma determinada inclinação com a vertical. Dickin (1994) e Bransby et al. (2002) reportam a formação de um vazio sob a base do tubo. Nessa última referência o deslocamento imposto foi de δ/D = 1,3, tendo ocorrido em uma areia fofa e sob uma cobertura de solo de 3D. O mesmo comportamento também foi observado em areia compacta, porém com uma zona de ruptura maior e mais perturbação na superfície do maciço. O mecanismo de ruptura na areia compacta envolveu localizações de deformação curvas interceptando a superfície do maciço, abrangendo uma região com largura aproximada de 2D. Não foram encontrados registros na literatura sobre padrões com condutos flexíveis.

2.2.2.2. Movimento Horizontal

O mecanismo envolvendo a movimentação horizontal de estruturas enterradas segue um padrão bastante distinto daquele observado no deslocamento vertical. Através de

ensaios com tubos dispostos em areia densa, Audibert e Nyman (1977) reportam para H/D = 3 o surgimento de uma cunha de ruptura passiva com formato de uma espiral logarítmica partindo da base do conduto e atingindo a superfície do terreno. Na parte posterior do tubo ocorre a formação de uma cunha ativa praticamente vertical. No topo forma-se uma zona central estendendo-se até a superfície do terreno, separando a região passiva da ativa (Figura 2.13a). Ao passo que a razão H/D aumenta, a cunha passiva é substituída por uma zona de plastificação caracterizando um mecanismo que permanece confinado em torno do tubo. O padrão observado para H/D > 12 é esquematizado na Figura 2.13b. A plastificação do solo nesta profundidade abrangeu uma zona entre dois e três diâmetros com areia fofa e um diâmetro com areia densa.

Figura 2.13. Mecanismos de ruptura de condutos em deslocamento horizontal; a) H/D = 3 e b) H/D = 12 (Audibert e Nyman 1977).

Dickin e Leung (1985) observaram padrões muito semelhantes aos de Audibert e Nyman (1977), provocados pela translação de uma ancoragem horizontal em um material granular, com H/B iguais a 3, 5 e 8. Na menor profundidade, ocorreu a formação de uma zona de ruptura contendo três cunhas distintas chegando à

superfície do terreno. O mecanismo na profundidade intermediária é mais complexo, envolvendo a formação de um número maior de cunhas, porém abrangendo um volume de solo comparativamente menor. Em H/B = 8, há a formação de uma zona de ruptura confinada, abrangendo uma massa de solo de largura não superior a 2B.

Paulin et al. (1995) compararam os mecanismos de ruptura que ocorrem com um conduto flexível imerso em um solo argiloso normalmente adensado em condições drenadas e não-drenadas, com H/D = 1. Este foi o único trabalho com conduto flexível localizado nessa revisão da literatura. A Figura 2.14a ilustra o mecanismo de ruptura observado nos ensaios não drenados, em uma seção próxima ao centro do vão do tubo. As linhas abaixo da tubulação indicam uma zona de deformação cisalhante bem definida que se estende até aproximadamente 0,5D abaixo da base. Não há formação de superfícies de ruptura na região do solo solicitada passivamente. O mecanismo ocorrido nos ensaios drenados difere bastante do verificado para os ensaios não drenados (Figura 2.14b). Neste caso, foi registrado o surgimento de diversos planos de ruptura estendendo-se desde a base do tubo à superfície do solo segundo um ângulo de aproximadamente 500 com a vertical. Tanto nos ensaios drenados quanto nos não drenados houve uma considerável elevação da superfície do solo nas regiões imediatamente acima e adjacente ao topo do conduto.

Figura 2.14. Mecanismos de ruptura de conduto em argila normalmente adensada; a) ensaio não drenado, b) ensaio drenado (Paulin et al. 1995).