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Caracterização e Modelação de Comportamento Dinâmico e Ciclico de Misturas de Solo-Cimento para Infraestruturas de Transportes

Miguel Francisco Silva Sousa Ferreira do Amaral

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CARACTERIZAÇÃO E MODELAÇÃO DE COMPORT AMENT O DINÂMICO E CÍCLICO DE MISTURAS DE SOLO - CIMENT O P ARA INFRAESTRUTURAS DE TRANSPORTES MIGUEL FRANCISCO SILVA SOUSA FERREIRA DO AMARAL Dissertação submetida para satisfação dos requisitos do gra u de DOUTOR EM ENGENH ARIA CIVIL — ESPECIALIZAÇÃO EM GEOTECNIA Orientador: Professor Dout or António Joaquim Pereira Viana da Fonseca Coorientador: Professor Doutor Marcos Arroyo Alvare z de Toledo J ULHO DE 2012 P ROGRAMA D OUTORAL EM E NGENHARIA C IVIL 2011/2012 D EPARTAMENT O DE E NGENHARIA C IVIL Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446  [email protected] Editado por F ACULDADE DE E NGENHARIA DA U NIVERSIDADE DO P ORTO Rua Dr. Roberto Frias, s/n 4200-465 PORTO Portugal Tel. +351-22-508 1400 Fax +351-22-508 1440  [email protected]  http://www.fe.up.pt Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Programa Doutoral em Engenharia Civil - 2011/2012 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da U niversidade do Porto, Porto, Portugal, 2012 . As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respetivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir. Este documento foi produzido a partir de versão eletrónica fornecida pelo respetivo Autor. À minha Família Não devemos permitir que alguém saia da nossa presença sem se sentir melhor e mais feliz. Madre Teresa de Calcutá Agradecimentos i AGRADECIMENT OS O maior dos agradecimentos é dirigido ao Professor Doutor António Viana da Fonseca pela sua qualidade científica, experiment al e humana. Pelo acompanhamento e liberdade que me proporcionou mas também pelo desenvolvimento do “apetite” pela investigação. O segundo maior dos agradecimentos é dirigido ao Professor Doutor Marcos Arroyo. Pela sua inteligência, conhecimento teórico e pela sua constante presença, apesar da separação geográfica. Ao Professor Doutor Enrique Romero, o meu muito obrigado. A sua intervenção ao longo de dois anos contribuiu decisivamente par a a melhoria da qualidade experimental desta dissertação. Pelos seus muito importantes contributos no primeiro ano de trabalho, deixo também o meu forte agradecimento ao Professor Doutor Eduardo Fortunato. Não posso deixar de agradecer ao Professor Doutor Man uel Matos Fernandes; é sua a responsabilidade pelo meu encantamento geotécnico! Esta investigação foi desenvolvida sob um projeto FCT (Fundação para a Ciência e Tecnologia), unidade de investigação CEC (Centro de E studos da Construção), na FEUP (Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto) [PTDC/ ECM/ 099475/2008] e projeto SIPAV (Soluções Inovadoras Pré-Fabricadas para Vias Férreas de Alta Velocidade) [SI-IDT-3440/2008]; financiados pelo Comité Europeu (QREN/EU/FEDER), Programa Operacional para Fatores Competitivos, “COMPETE”. O meu obrigado a todas as instituições envolvidas e que tornaram a investigação e esta dissertação possível. Durante a parte curricular do Programa Doutoral em Engenharia Civil, tive a oportunidade de interagir com um leque diferenciado de temas. Aproveito este espaço para agradecer aos Professores Doutores que os lecionaram: Maria do Carmo Coimbra, Maria Helena Corvacho, Rui Calçada e Rui Carneiro Barros. Adicionalmente gostaria de agradecer a amizade e o apoio que outros Professores Doutores me deram durante este caminho. São eles: Cecília Rocha, Maria de Lurdes Simões, António Topa Gomes e Miguel Mendes. Um agradecimento especial à Universidade Po litécnica da Catalunha (UPC), pelo seu acolhimento e disponibilização de todos os meios que possibilitaram o decurso natural Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes ii dos trabalhos efetuados ao longo de um ano. Ao meu grande amigo e Professor Doutor Jubert Pineda, os seu s contributos fizeram com que grande parte do programa experimental efetuado fosse possível. Agradeço ainda à Analice e ao Rodrigo pelo acompanhamento dos primeiros passos no laboratório de Geotecnia da UPC. Ainda em Barcelona, agradeço a todos os que me ajudaram a sentir em casa e permitira m o alcance dos meus o bjetivos. Agradeço especialmente a José, Victor, Samuel, Francesca, Sandra, Dani, Laura, Yesenia, Victor (B.K.), Vladimir, Eduardo, Alba, Clara, Hector, Joana, Giusy, Yeudi, Ana, Maurício e Nádia. Obrigado à FEUP, a instituição de acolhimento, em particular ao LabGeo e à técnica responsável Eng.ª Cláudia Pinto, pela mob ilização de todas as condições que permitiram o correto desenvolvimento dos trabalhos. Um obrigado especial ao Sr. Armando Pinto, pelo seu conhecimento prático, que em muito contribuiu na adaptação de equipamento e melhoria de condições de ensaio. Obrigado à Sara Rios, com q uem tive oportunidade de trabalhar em equipa, pela sua amizade, apoio, acompanhamento e revisão da tese. Agradeço também a todas as pessoas que me acompa nharam ao longo desta investigação na F EUP, nome adamente: Marisa, Fabrizio, André, Daniela, Filipe, Rafael, Cristelo, Cândido, Raposo, Cristiana, Elisabete, Mafalda, Saúl, Jucélia, Amanda, Luís, Andréa, Anderson, Márcio, Marta, Joana, Marco, entre outros. Apesar de não pertencerem à família geotécnica gostaria de deixar um forte abraço e o agradecimento pela companhia aos meus grandes amigos Miguel Araújo e João Barbosa. A todos os que não citei mas que partilharam comigo bons e maus momentos durante estes três anos, o meu muito obrigado. Por último, fica o mais especial dos agradecimentos: à minha família e à Rita. Resumo iii RESUMO O uso de técnicas tradicionais em engenharia geotécnica para estabilização de camadas de suporte de plataformas, infraestruturas de transportes ou fundações em solos com baixa capacidade de carga, apresenta limitações associadas a elevados custos financeiros e ambientais. A degradação das camadas de suporte em rodo e ferrovias causa, não raras vezes, uma grande redução de trafegabilidade e segurança. A principal causa de deterioração é a acumulação de deformação plástica e deformação resiliente cíclica, que conduzem à fissuração por fadiga ou ao desalinhamento por subsidência. A estabilização de solo s e materiais granulares com ligantes hidráulicos é uma solução interessante, já que a rigidez e a resistê ncia sofrem melhoramentos consideráveis. Esta solução é especialmente atrativa quando se esperam elevados níveis de cargas de tráfego e um número significativo de passagens/ ciclos. Recentemente, Consoli et al. (2007) est abeleceram uma ferramenta baseada em razões de índices de vazios/cimento, que desempenha um papel fundamental na definição de resistências (e.g. compressão uniaxial) a atingir, no comportamento de tensão- dilatância, resistência em termos de tensões efetivas e nos valores dos módulos de rigidez para muito baixas deformações determinados em laboratório com recursos a medidas de velocidades de ondas sísmicas d e compressão e de corte. A indexação geral das propriedades geomecânicas, inclu indo as propriedades cíclicas, a uma razão única de vazios/cimento, necessita de calibração das leis exponenciais entre variáveis, tendo em conta características específicas dos materiais a tratar, tais como as distribuições granulométricas. Baseado na tentativa de normalização de propriedades iniciada por Consoli et al. (2007), a presente dissertação propõe um índice altern ativo especificamente desenvolvido para aglomerar as características da infraestrutura. Apresenta-se no que se segue um programa experimental completo que possui ensaios triaxiais de misturas de solo-ciment o e respetivo tratamento à luz da teoria dos estados críticos, ensaios isotrópicos de altas pressões com medições dinâ micas através de bender elements , caraterização cíclica com o recurso a ensaios triaxiais com ma is de um milhão de ciclos e monotorização do pr ocesso de hid ratação do solo-cimento por medições efetuadas com transdutores ultrassónicos e a nálise em forma de onda completa. Palavras-Chave : Solo-cimento; Teor em cimento; Compac idade; Sucção; Pressão de cedência. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes iv Resumo v ABSTRACT The use of traditional techniques in geotechnical engineering often faces prob lems because of high cost s and/or environmental issues, being the stabilization of embankments and noble compacted sub-grading earth materials for transport infrastructures, or the construction of foundations in soils with poor bearing capacities. The degradation of sub-grades in highway-pavement and railway-track support systems frequently rises to high maintenance costs and reduce d serviceability and safety conditions. The main cause of deterioration is not only the accumulation of plastic deformation on the sub-grade but also the resilient cycl ic deformation leading to pavement cracking by fatigue or misalignment of rail tracks due to subsidence. Therefore, soil and granular material s stabilization with hydraulic cement is an interesting solution since stiffness and strength are highly improved by this treatment. It is especially attractive where high traffic loads with con s iderable number of passages/cycles are expected and high mechanical properties of sub-grade soils are required. Recently Consoli et al. (2007) est ablished a framework based on voids/cement ratio, which plays a fundamental role in the assessment of the target unconfin ed compression strength, on the stress-dilatancy and effective strength behaviour of an artificially cemented sand and in the very small strains stiffness modulus, determined with compression and shear wave velocities. This general indexation of geomechanical properties, including cyclic properties, to a unique voids/cement ratio, need power laws calibration for specif ic grain size distributions. Based in the property normalization attempt, initiated by Consoli et al. (2007), this dissertation proposes an alternative indexation specific developed for infrastructure characteristics joining. It is presented a complete experimental program with several triaxial testes in soil - cement admixtures and respective critical state theory treatment, high pressure iso tropic compression testes with dynamic measurements trough bender elements, cyclic characterization of soli-cements specimens by means of cyclic triaxial testing with more than one million loads and monitoring the soli-ce ment hydration process by means of ultrasonic measurements and full wave form analysis. Key-words : Soil-cement; Cement content; Comp actness; Suction; Yielding stress. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes xii 3.2.2.3 Ensaio triaxial cíclico ...................................................................................... 154  3.2.2.4 Ensaios com ondas sísm icas de baixa energia ............................................. 157  3.2.2.5 Resultados, tendências e correlações ........................................................... 160  3.2.3  Proposta inovadora de melhoramento das condições de ensaios de caracterização geotécnica .................................................................................... 162  3.2.3.1 Importância da correta caraterização ge otécnica de agregados para sua aplicação em estruturas especiais. ..................................................................... 162  3.2.3.2 Definição da problem ática da caracterização geotécnica em solos lateríticos 164  3.2.3.3 Paralelismo entre os solos la teríticos e agregado do calcário ....................... 166  3.2.3.4 Ensaio Proctor Modificado ............................................................................. 166  3.2.3.5 Índice de Suporte Califórnia ........................................................................... 168  3.2.3.6 Ensaio de compressão uniaxial ..................................................................... 169  3.2.3.7 Conclusão ...................................................................................................... 171  Capítulo 4.  Propostas de metodologias de interpretação de resul t ados.......................... 173  4.1  Análise dos registos das ondas elást icas no domínio do tempo ................................ 173  4.1.1  Metodologias existentes de análise do tempo de chegada ....................... 175  4.1.1.1 Primeira quebra da onda de chegada ( fir st break ) ......................................... 175  4.1.1.2 Intervalo de tempo entre pontos característicos do sinal ............................... 175  4.1.1.3 Correlação cruzada dos sinais em itidos e rececionados ............................... 176  4.1.2  Programa experimental ............................................................................. 176  4.1.2.1 Descrição do equipamento utilizado .............................................................. 177  4.1.2.2 Programa de ensaios ..................................................................................... 179  4.1.3  Formulação do modelo .............................................................................. 180  4.1.3.1 Variação do sinal em função da am plificação de potência e escala .............. 180  4.1.3.2 Aplicação do método das diferenças divididas .............................................. 181  4.1.3.3 Pressupostos do modelo de análise de sinal no dom ínio do tempo .............. 183  4.1.4  Resultados experimentais ......................................................................... 187  4.1.5  Conclusões ................................................................................................ 189  4.2  Cruzamento de ondas P, S e L e determinação da FRF ........................................... 190  4.2.1  Propriedades dinâmicas ............................................................................ 191  4.2.1.1 Resumo das propriedades das ondas elásticas utilizadas ............................. 191  4.2.1.2 Caracterização do sistem a de medição ......................................................... 191  4.2.2  Programa experimental ............................................................................. 192  4.2.3  Ensaios dinâmicos ..................................................................................... 193  4.2.3.1 Velocidade das ondas longit udinais ............................................................... 193  4.2.3.2 Velocidade das ondas de co mpressão .......................................................... 195  4.2.3.3 Ensaios com bender elem en ts ....................................................................... 196  4.2.4  Resultados ................................................................................................. 196  4.2.4.1 Verificação cruzada dos m ó dulos elásticos ................................................... 196  4.2.4.2 Evolução da rigidez de corte com o tempo de cura ....................................... 198  Índices xiii 4.2.4.3 Comparação entre frequências de ressonância analíticas e experimentais ............................................................................................................. 198  4.2.4.4 Determinação dos coeficientes de am ortecimento ........................................ 199  4.2.5  Conclusões ................................................................................................ 200  4.3  Modelo para o ensaio Proctor Modificado .................................................................. 200  4.3.1  Material utilizado e procedimentos de ensaio ............................................ 202  4.3.1.1 Materiais utilizados ......................................................................................... 202  4.3.1.2 Procedimentos de ensaio ............................................................................... 202  4.3.2  Formulação do modelo de interpretação ................................................... 202  4.3.2.1 Considerações iniciais e pressupostos d o modelo ........................................ 202  4.3.2.2 Explicação analítica do modelo ...................................................................... 203  4.3.2.3 Considerações adicionais ao modelo ............................................................. 207  4.3.2.4 Exemplos práticos da aplicação do m odelo ................................................... 209  4.3.3  Na procura estatística de w opt e γ d,max ........................................................ 212  4.3.3.1 Inquérito realizado a especialistas ................................................................. 212  4.3.3.2 Tratamento dos dados estatí sticos ................................................................ 214  4.3.3.3 Comparação entre as respostas dos especialistas e resultados do modelo 215  4.3.4  Conclusões ................................................................................................ 216  4.4  Integração da sucção para ensaios com teor em água constante ............................. 217  4.4.1  Programa experimental ............................................................................. 218  4.4.1.1 Preparação dos provetes ............................................................................... 218  4.4.1.2 Programa de ensaios ..................................................................................... 219  4.4.2  Formulação do modelo de integração ....................................................... 220  4.4.3  Ensaio Triaxial com sucção indiretamente integrada ................................ 222  4.4.4  Conclusões ................................................................................................ 224  4.5  Normalização dos efeitos índice de vazios e teo r em ciment o .................................. 224  4.5.1  Índice porosidade/cimento ......................................................................... 224  4.5.2  Proposta inovadora de normalização ........................................................ 225  4.5.2.1 Interação do problem a co m os ensaios MIPs ................................................ 226  4.5.2.2 Formulação do novo índice F ......................................................................... 228  4.5.2.3 Aplicação prática ............................................................................................ 229  4.5.3  Conclusões ................................................................................................ 231  Capítulo 5.  Ensaios especi ais (M IP, WP4 e FESEM) ....................................................... 233  5.1  Ensaio com porosímetro de intrusão de mercúrio (MIP) ............................................ 233  5.1.1  Princípios da técnica MIP .......................................................................... 233  5.1.2  Preparação dos provetes ........................................................................... 235  5.1.3  Relação de PSD com a SWCC ................................................................. 237  5.1.4  Descrição do equipamento e procedimentos de ensaio ............................ 240  5.1.5  Tratamento e análise de resultados .......................................................... 244  5.1.5.1 Distribuição de poros em fun ção do índice de vazios .................................... 245  5.1.5.2 Distribuição de poros em funç ão do teor em cimento .................................... 248  5.1.5.3 Distribuição de poros em fun ção do tempo de cura ....................................... 250  Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes xiv 5.1.5.4 Macro e micro porosidade em função do índice de vazios ............................ 251  5.1.5.5 Macro e micro porosidade em função do teor em cimento ............................ 253  5.1.5.6 Macro e micro porosidade em função do tempo de cura ............................... 255  5.2  Psicrómetro de Ponto de Orvalho (WP4) ................................................................... 257  5.2.1  Enquadramento teórico ............................................................................. 257  5.2.2  Descrição do equipamento WP4 ............................................................... 257  5.2.3  Preparação dos provetes e procedimentos de ensaio .............................. 259  5.2.4  Tratamento e análise de resultados .......................................................... 261  5.2.4.1 Curva de retenção em função do teor em cimento ........................................ 262  5.2.4.2 Curva de retenção em função do tem po d e cura ........................................... 264  5.2.4.3 Sobreposição das curvas de retenção ent re os ensaios MIP e WP4 ............ 265  5.3  Microscopia e digitalização por emi ssão de campo de eletrões (FESEM) ................ 268  5.3.1  Objetivos do ensaio ................................................................................... 268  5.3.2  Princípios da técnica e descrição do equipamento ................................... 268  5.3.3  Preparação dos provetes .......................................................................... 269  5.3.4  Correspondência entre os ensaios MIP e FESEM .................................... 271  5.3.5  Parâmetros que influenciam a imagem obtida .......................................... 275  5.3.5.1 Variação com a quantidade de cim ento ......................................................... 275  5.3.5.2 Variação com o índice de vazios ................................................................... 279  5.3.5.3 Variação com o tempo de cura ...................................................................... 280  5.3.5.4 Imagem antes e depois de um a co mpressão uniaxial ................................... 283  5.3.5.5 Imagem antes e depois de um a co mpressão isotrópica ................................ 286  Capítulo 6.  Ensaios triaxiais monotónicos s a turados de altas pres sões ......................... 289  6.1  Considerações iniciais ............................................................................................... 289  6.2  Descrição do equipamento utilizado .......................................................................... 290  6.3  Colocação da central hidráulica em funcionamento .................................................. 294  6.4  Programa experimental .............................................................................................. 295  6.4.1  Definição .................................................................................................... 295  6.4.2  Preparação dos provetes .......................................................................... 299  6.4.3  Correções relativas aos dados brutos ....................................................... 300  6.4.3.1 Alteração da área do provete ......................................................................... 300  6.4.3.2 Efeito de membrana ....................................................................................... 301  6.4.4  Procedimentos de ensaio .......................................................................... 302  6.4.5  Tratamento e análise dos resultados ........................................................ 306  6.4.5.1 Trajetórias de compressão isotrópica ............................................................ 307  6.4.5.2 Trajetórias de compressão axial em célula triaxia l ......................................... 308  6.4.5.3 Ângulo de atrito em estado crítico .................................................................. 311  6.4.5.4 Avaliação da linha dos estados críticos ......................................................... 314  6.4.5.5 Análise tensão-dilatância ............................................................................... 316  6.4.5.6 Normalização dos resultados em rel ação à linha norm almente consolidada ................................................................................................................ 318  Índices xv 6.5  Conclusões ................................................................................................................. 320  Capítulo 7.  Avaliação da pressão de cedência do solo-cimento e da sua desestruturação sob carr egamento isotrópico de altas pressões ............................................................. 323  7.1  Considerações iniciais ................................................................................................ 324  7.2  Descrição do equipamento ......................................................................................... 327  7.3  Programa experimental .............................................................................................. 337  7.3.1  Definição .................................................................................................... 337  7.3.2  Preparação dos provetes ........................................................................... 340  7.3.2.1 Compressão isotrópica de altas pressões ..................................................... 340  7.3.2.2 Porosímetro de intrusão de m ercúrio e psicrómetro de ponto de orvalho 343  7.3.3  Correções necessárias aos dados em bruto ............................................. 345  7.3.4  Procedimento do ensaio de compressão isotrópi ca .................................. 345  7.3.5  Interpretação e análise dos resultad os ...................................................... 348  7.3.5.1 Curva característica do solo- água .................................................................. 348  7.3.5.2 Curvas de compressão isotrópica .................................................................. 353  7.3.5.3 Pressão de pré-consolidação aparente .......................................................... 359  7.3.5.4 Discussão dos resultados .............................................................................. 361  7.4  Modelação dos resultados ......................................................................................... 364  7.4.1  Aplicação do Barcelona Basic Model ........................................................ 364  7.4.2  Macro e micro porosidade no ponto de pré-consolidação aparente 366  7.4.3  Curvas LC em função do teor em cimento e índice de vazios .................. 367  7.5  Conclusões ................................................................................................................. 377  Capítulo 8.  Ensaios sísm icos de baixa ener gia ................................................................ 381  8.1  Considerações iniciais ................................................................................................ 381  8.2  Descrição do equipamento ......................................................................................... 382  8.3  Ensaios com transdutores ultrassónicos .................................................................... 384  8.3.1  Definição do programa experimental ......................................................... 384  8.3.2  Procedimentos de ensaio e preparação dos provetes .............................. 385  8.3.3  Interpretação e análise dos resultad os ...................................................... 389  8.3.3.1 Evolução de E 0 em função do tem po de cura ................................................ 389  8.3.3.2 Evolução de G 0 em função do tem po de cura ................................................ 393  8.3.3.3 Evolução de f k em função do tem po de cura .................................................. 397  8.3.3.4 Evolução de ξ k em função do tem po de cura ................................................. 400  8.4  Ensaios com transdutores bender elements .............................................................. 403  8.4.1  Definição do programa experimental ......................................................... 406  8.4.2  Procedimentos de ensaio e preparação dos provetes .............................. 408  8.4.3  Análise e tratamento dos resultados ......................................................... 409  8.4.3.1 V S e G 0 em função do teor em água .............................................................. 411  8.4.3.2 G 0 em função da pressão total de confin a mento ........................................... 416  8.4.3.3 V S em função do índice porosidade-cim ento e pressão de confinamento .............................................................................................................. 421  Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes xvi 8.4.3.4 V S em função do índice F ............................................................................... 426  8.5  Conclusões ................................................................................................................ 427  Capítulo 9.  Ensaio s cíclicos .............................................................................................. 431  9.1  Considerações iniciais ............................................................................................... 431  9.2  Descrição do equipamento utilizado .......................................................................... 435  9.3  Programa experimental .............................................................................................. 436  9.3.1  Definição .................................................................................................... 436  9.3.2  Correções relativas aos dados brutos ....................................................... 437  9.3.3  Procedimentos de ensaio .......................................................................... 437  9.3.4  Análise e tratamento dos resultados ......................................................... 440  9.3.4.1 Ensaios saturados .......................................................................................... 440  9.3.4.2 Ensaios não saturados ................................................................................... 443  9.4  Relação entre o comportamento cíclico e estático ..................................................... 451  9.5  Conclusões ................................................................................................................ 456  Capítulo 10.  Conclusões e inves tigações futuras .............................................................. 459  10.1  Conclusões ................................................................................................................ 459  10.2  Propostas para investigações futuras ........................................................................ 463  Referências ................................................................................................................... .................................. i  ANEXO A ....................................................................................................................... ........................... xxiii  ANEXO B ....................................................................................................................... ............................ xlix  ANEXO C ....................................................................................................................... .......................... cxxiii  ANEXO D ....................................................................................................................... ........................ cxxxiii  ANEXO E ....................................................................................................................... ........................... cxliii  Índices xvii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 - Classificação dos solos cimentado s (adapt ado de Carv alho, 2002). ...................................... 12  Figura 2.2 – Ensaios edométricos em solo cimentado (adaptado de Maccarini, 1987). ............................ 13  Figura 2.3 – Comparação esq uemática da comp ressão isotrópica de arei as carbonatadas pouco e fortemente cimentadas (adaptado de Cucc ov illo & Coop. 1993). .................................................. 14  Figura 2.4 – Sistemas de classifi cação de mistur as de solo-ci mento CEN (2006) e GTS (2000) baseadas em q t e E (adapt ado de Rios , 2011). .......................................................................................... 18  Figura 2.5 – Intervalo de granulom etria proposto para o solo a estabiliza r segundo a THSRC (2001). ....................................................................................................................... .................................. 21  Figura 2.6 – Distribuição ó tima ent re grossos e finos para a estabil ização do solo com ciment o (Amaral, 2009). ............................................................................................................... ............................. 26  Figura 2.7 – Variação da resistên cia à compressão uniaxial em função do teor em cimento (adaptado de F oppa, 2005). .................................................................................................... .................... 27  Figura 2.8 – Resposta tensão-defo rmação para diferentes teores em cimento (adaptado de Schnaid et al., 2001) . ........................................................................................................ ........................... 28  Figura 2.9 – Efeito de w em q u no solo-cimento (adaptado de Foppa, 2005). ............................................ 29  Figura 2.10 – Efeito de η em q u do solo-cimento para um dado c (adaptado de F oppa, 2005). ................ 30  Figura 2.11 – Evolução do módulo d e elasticidade dinâmico ( E 0 ) e m função do tempo de cura (adaptado de Amar al, 2009). ................................................................................................... .................... 31  Figura 2.12 – Relação vazi os/cimento expressa em termo s da porosidade ( η ) e teor volumétrico em cimento ( C IV ) (Vitali, 2008). ................................................................................................ 35  Figura 2.13 – Desenvolvimento de excessos d e pressão neutra n egativos com o rebaixamento no nível freático (adaptad o de Fredlund & Raha rdjo, 1 993). ............................................... 36  Figura 2.14 – Propriedades de fase do solo: a) seco; b) não saturado; c) satu rado. ................................. 37  Figura 2.15 – Propriedade s de fase do solo não sa turado: a) teoria vanguardista; b) teoria cláss ica. ..................................................................................................................... .................................. 38  Figura 2.16 – Fenómeno da tensã o de superfície: a) Forças intermoleculares n a interface ar- água; b) Equilíbrio da s forças que atuam num diafragma cont rátil de duas dimensões (Fredlund & Rahardj o, 1993); c) distribuição de pressão com a profundid ade e resultante ( T S ). (Lu & Likos, 2004). ........................................................................................................... ........................... 39  Figura 2.17 – Tensão de superfície num diafr agma contrátil de 3 di mensões (Fredlund & Rahardjo, 1993). .............................................................................................................. ............................ 40  Figura 2.18 – Resultados e xperimentais que ilustram a dependê ncia de  com o grau de saturação: a) silte sem coe s ão (Donald, 1956); b) solo s remoldados (Blight, 1965). ................................. 42  Figura 2.19 – Envolvente de rotura Mohr-Co ulomb estendida para solos não saturado s (adaptado de Fredlund & Rahardjo, 1993). ...................................................................................... ........... 43  Figura 2.20 – Envolvente de rotura Mohr-Co ulo mb estendid a que contabiliza os efeitos de não linearidade (adapt ado de Lu, 2008). ....................................................................................... ............. 44  Figura 2.21 – Curva característi ca do solo-água (adaptado de Lins et al., 2009). ..................................... 45  Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes xviii Figura 2.22 – Modelo conceptual pa ra solos não saturados: a) Curvas de cedên c ia e trajetórias de tensões; b) Curvas de compressão. (Jos a et al., 1987). ....................................................... 50  Figura 2.23 – Superfície de rotura do modelo L C para estado de tensão tridimensional (Alonso et al., 1990) . ........................................................................................................ ........................... 52  Figura 2.24 – Proposta de mecanismo de rotura, em condições isotrópicas, pa ra um solo cimentado não saturado (Alonso & G ens, 1993). ................................................................................. ...... 54  Figura 2.25 – Superfícies de rotura no pl ano p’ , q : a) solos saturados; b) solos não saturados. (adaptado de Alonso & Gens, 1993). ............................................................................................ .............. 56  Figura 2.26 – Curvas de pr essão de pré-consol idação de um sol o residual para provetes cimentados e não cimentados (adapt ado de Leroueil & Ba rbosa, 2000). .................................................. 57  Figura 2.27 – Esquema de propagação das ondas su per ficiais: a) Rayleigh; b) Love. (Ferrei ra, 2003). ........................................................................................................................ .................................. 61  Figura 2.28 – Transdutor de compress ão (adaptado Brigno li et al., 1996). ............................................... 65  Figura 2.29 – Transdutor transve rsal: polarização, ligação e mo vimento (Ferre ira, 2003). ....................... 66  Figura 2.30 – Bender elem ents : polarização, ligação e movimento (Fe rreira, 2003; adaptado de Dyvik & Mads hus, 1985). .................................................................................................... ................... 67  Figura 2.31 – Exemplo de uma função transferê n c ia e identificação das fre quências de ressonância. .................................................................................................................. .............................. 69  Figura 2.32 – Exemplos comportam entais do solo face ao carregamento cíclico: a) aume nto progressivo de deforma ções; b) estabilização das deforma ções. .............................................................. 73  Figura 2.33 – Curva em forma de histere s e. Represen tação das deformações p ermanentes e resilientes (adaptado de Werkm eiste r, 2003) . .................................................................................. .......... 74  Figura 2.34 – Exemplo da estabiliza ção apar ente de um solo carregado sob condições cíclicas (adaptado de Kolisoja, 1998). ........................................................................................ ................ 75  Figura 2.35 – Definição de alguma s das fase s de Shakedown (adaptado de Werkmeister, 2003). ........................................................................................................................ .................................. 78  Figura 2.36 – Definição das zo nas de shakedown (adaptado CE N, 2004). ............................................... 79  Figura 2.37 – Resultado típico de en saios triaxiais de duas amost ras da mesma areia, sendo que uma delas é compa cta e a remanescente fofa: a) resistência crítica; b) e cr ítico. (adaptado de Tayl or, 1948). ................................................................................................... ..................... 83  Figura 2.38 – Estados críti cos do solo: a) plano τ ’ vs. σ ’ ; b) plano e vs . σ ’ ; c) plano e vs. log( σ ’ ). (adaptado de Atki nson, 2008). .............................................................................................. .......... 85  Figura 2.39 – a) Normali z ação dos solo s no lado seco; b) resistência de pico de solo dilatante (adaptado de Atki nson, 2008). ................................................................................................. ................... 86  Figura 2.40 – Parâmetros de normali zação para resultados d e ensaios triaxiais (adaptado de Atkinson, 2008). .............................................................................................................. ............................ 87  Figura 2.41 – a) Superfície de estado limite para solos; b) superfície de ced ência e parede elástica (ada ptado de Atkinson, 2008). ....................................................................................................... 88  Figura 2.42 – Comparação do comportamento em compressão de um solo e struturado e não estruturado (adaptado de Vaughan, 1988). ...................................................................................... .......... 89  Índices xix Figura 2.43 – Padrões de comportamento em co rte típicos da forte cimenta ç ão (adaptado de Coop & Aire y, 2003). .......................................................................................................... ......................... 91  Figura 2.44 – Padrões de comportamento tensão -def ormação típicos de um solo fraca mente cimentado (adaptado de Coop, 2003). ........................................................................................... ............. 92  Figura 2.45 – Comportamento ao co rte caract erístico normalizado de uma areia fortemente cimentada (adaptado de Coop & Airey, 2003). ................................................................................... ........ 93  Figura 2.46 – Comportamento ao co rte caract erístico normalizado de uma areia fracamente cimentada (adaptado de Coop & Airey, 2003). ................................................................................... ........ 93  Figura 2.47 – Comportamento ao co rte caract erístico normalizado de uma areia fortemente cimentada (adaptado de Coop & Airey, 2003). ................................................................................... ........ 94  Figura 3.1 – Compressão de um solo residual em condições edométricas (Viana da Fonseca, 1996). ........................................................................................................................ ................................... 99  Figura 3.2 – Confronto da resposta q vs. ε a para instrumentação interna e externa: a) σ ’ c =10kPa; b ) σ ’ c =20kPa. (Viana da F onseca, 1996). ................................................................................. 99  Figura 3.3 – q , ε v vs. ε a em ensaios triaxiais sobre amost ras indeformadas de solo resid ual do granito: a) σ ’ c =10kPa; b) σ ’ c =320kPa. (Vi ana da Fo nseca, 199 6)............................................................. 100  Figura 3.4 – Curvas granu lométricas obtidas por Lopes (2 007) (a traço interrompido) e Vitali (2008). ....................................................................................................................... ................................ 102  Figura 3.5 – Ensaio Proctor Leve e Modificad o na areia siltosa do Porto com e sem cimento (Lopes, 2007 ). ............................................................................................................................... ............. 105  Figura 3.6 – Compactação dos provetes: a) 1ª camada; b) 2ª camada; c) 3ª camada. ........................... 108  Figura 3.7 – Desmoldage m dos provetes de so lo-residual/solo-ci mento: a) momento da extração; b) embalamento prévio do provete ant erior à colocação em câmara húmida. ......................... 109  Figura 3.8 – Curva de compressão i sotrópica para os dois provet es ensaiados com diferentes índices de vazios (adaptad o de Amaral et al., 2012a). ......................................................................... .... 117  Figura 3.9 – Micrografia SEM do solo após um carregamento d e compressão isotrópico. Destaque de um grão de quartzo e de uma fissura (R ios, 201 1). ............................................................ 118  Figura 3.10 – Representação esquem ática das ligações utilizadas na ca racterização dinâmica. ..................................................................................................................... .............................. 119  Figura 3.11 – Espectro de diferentes form as de onda utilizadas como impul so. ...................................... 120  Figura 3.12 – Impulsos sin usoidais e quadrados, em que o último produz sinais de resposta mais amplificados. ............................................................................................................ ......................... 121  Figura 3.13 – Resultados da análi se dinâmi ca efetuada em função do estágio d e consolidaç ão: a) RSS; b) RSD. ................................................................................................. ................ 122  Figura 3.14 – Critério do trabalho realizado (adaptado de Amaral et al., 2012a). .................................... 124  Figura 3.15 – Critério ba seado no módulo de dist orção dinâmi c o (adapatado de Amaral et al., 2012a). ....................................................................................................................... ................................ 125  Figura 3.16 – Critério ba seado no teor em água do s provetes: a) RSS; b) RSD. (adapatado de Amaral et al., 2012a) ......................................................................................................... ........................ 126  Figura 3.17 – Curva granul ométrica do so lo após compactaçã o: traço contínuo) mois t tamping ; traço interrompido) estática pesada. ( adaptado de Viana da Fons eca et al., 2012b). .............. 130  Figura 3.18 – Microscopias FESEM ao so lo: a) Quartzos; b) Cau linite e mi cas. ..................................... 131  Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes xx Figura 3.19 – Curvas de compressão isotrópi ca para diversos provetes compact ados por prensa e moist tamping . (Viana da Fonseca et al., 2012b ). ..................................................................... 134  Figura 3.20 – Curvas tensão-deform ação dos provetes: a) compa ctados pela prensa hidráulica; b) compacta dos por moist tamping . (Viana da Fonseca et al., 2012b). .................................. 135  Figura 3.21 – Posição última dos e nsaios triaxiais drenados e não drena dos e representação das linhas de estado críti co (adaptado de Viana da F onseca et al ., 2012a). ........................................... 137  Figura 3.22 – Provete P_8000: a) deformaçã o ax ial contra deformação radial; b) curva de compressão isotrópica. (adaptado de Viana da Fons eca et al., 2012b). ................................................. 138  Figura 3.23 – Deformação axial contra defo rmação radial de provete T_1600 (Viana da Fonseca et al., 2012b) . ....................................................................................................... ...................... 139  Figura 3.24 – Velocidade s das ondas de co rte medidas no provet e P_1900 0 durante um ensaio de compressão isotrópica (V iana da Fonseca et al., 2012b). ....................................................... 141  Figura 3.25 – Velocidade s das ondas de corte po larizadas em diferentes di reções (adaptado de Viana da Fonseca et al., 2012b). ........................................................................................... .............. 141  Figura 3.26 – Ensaio Proct or Modificado do agregado calcário com 0% de cimento ( w opt =6,6%; γ d,max =21,37kN/m 3 ). ................................................................................................................ 144  Figura 3.27 – Curvas de penetra ção do agregado calc ári o para 12, 25 e 55 pancada s. ........................ 145  Figura 3.28 – Curva CBR do agregado c alcário. ................................................................................. ..... 146  Figura 3.29 – Distribuição granulom étrica do agregado calcário. ............................................................ 14 7  Figura 3.30 – Ilustração do agregado do calcário no seu estado lim po. .................................................. 147  Figura 3.31 – Estrutura ad otada para o ensaio de comp ressão di amet ral. .............................................. 152  Figura 3.32 – Representação gráf ica dos valores do módulo e resistência à tração. .............................. 153  Figura 3.33 – Câmara triaxial cí clica com provete de agr egado trat ado com cim ento instalado. ............ 154  Figura 3.34 – Variação do módulo resiliente em função da tensão de confinamento de um provete de agregado tratado com 5% de cimento (Amaral et al., 2009). ................................................. 157  Figura 3.35 – Esquema da s ligações utilizadas na me dição das ondas sísmi c as de compressão. ................................................................................................................... ........................... 158  Figura 3.36 – Comparaçã o entre G 0 e E 0 dos provetes de agregado tratado com ci mento. ................... 159  Figura 3.37 – E 0 explicado em funçã o da quantidade de cimento e grau de com pactação (Amaral et al., 2009). ............................................................................................................................... .. 161  Figura 3.38 – q t explicado em funçã o da quantidade de cimento e grau de compa ctação (Amaral et al., 2009). ............................................................................................................................... .. 161  Figura 3.39 – E i,t explicado em função d a quantidade de cimento e grau de comp actação (Amaral et al., 2009). ............................................................................................................................... .. 162  Figura 3.40 – Representação esquem ática de uma cunha de transi ç ão (Amaral et al., 2010). .............. 164  Figura 3.41 – Fotografia de um corte trans versal de um horizon te later ítico. .......................................... 165  Figura 3.42 – Ensaio Proct or Modificado no agregado calcário efetuado segundo ASTM (2004) (adaptado de Am aral et al., 2010). ..................................................................................... ........... 167  Figura 3.43 – Ensaio Proct or Modificado no agregado calcário efetuado através da metodologia do LEA (adaptado de Amaral et al., 2010). ......................................................................... . 168  Índices xxi Figura 3.44 – Ensaio CBR efetuado nas condiç ões de compactação da ASTM (2004) e nas condições de pré-sa turação das partículas grossas do LEA (adaptado de Amaral et al., 2010). ............ 169  Figura 3.45 – Ensaio de compressão un iaxial num provet e de agreg ado. ............................................... 170  Figura 3.46 – Ensaio de co mpressão uniaxial em provetes compa c tados na s condições: a) ASTM (2004); b) LEA. (adaptado de Amaral et al., 2010). ....................................................................... 171  Figura 4.1 – Equipamento utilizado: a) Amplific ador de potência (Universid ade de Waterloo); b); Osciloscópio c) Gerado r de funções; d) Provete de agregado tratado com cim ento em fase de teste. ..................................................................................................................... ................................ 178  Figura 4.2 – Esquema das conexões util izadas na medição da s ondas primárias (adaptado de Amaral et al., 2012d ). ........................................................................................................ ........................ 178  Figura 4.3 – Variação do tempo de pro pagaçã o das ondas P em função da ene rgia do sinal emitido (adaptado de Am aral et al., 2012d) . ................................................................................... .......... 180  Figura 4.4 – a) aplicação do método d as diferenç as divididas de primeira ordem ao sinal d e resposta; b) discretização do sinal de resposta e definição de pontos notáv eis. ..................................... 182  Figura 4.5 – Variação do declive da se cante em função do aumento de energia da onda emitida (adaptado de Amar al et al . 2012d). .................................................................................... .......... 184  Figura 4.6 – Regressão cúbica do inverso do declive da se cante em função de t P . ................................ 186  Figura 4.7 – Determinação gráfica/numérica de t f P (adaptado de Amaral et al., 2012d). ......................... 187  Figura 4.8 – Módulo confinado di nâmico ( M 0 ) e Mmódulo condinado dinâmi c o verdadeiro ( M f 0 ) em função de η /( V c / V t ) x (adaptado de Amaral et al., 2012d). .................................................................... 188  Figura 4.9 – Exemplo do espectro de re sposta de uma onda L [ Y( ω ) ]. .................................................... 192  Figura 4.10 – Esquema de conexões e equipam ento utilizado (ad aptado de Amaral et al., 2011a). ....................................................................................................................... ................................ 194  Figura 4.11 – Medição da s ondas longitudinais. FRF S do provete 3 sem utilização do disco como material de interface (ada ptado de Amaral et al., 2011a). .............................................................. 1 94  Figura 4.12 – Medição da s ondas longitudinais e tempos d e propagação para IRF TSR , IRF TR e IRF S . Exemplo de deconvoluçã o para o provet e 4 (adaptado de Amaral et al., 2011a). .......................... 195  Figura 4.13 – Medição das onda s de compressão (adaptado de Amaral et al ., 2011a). ......................... 196  Figura 4.14 – Trajetórias consegui das através do ensaio com bend er elements com setas indicativas do tempo de chegada teóri co da onda de corte, calculado pela s ondas L e P. (Amaral et al., 2011a) . ....................................................................................................... ........................ 197  Figura 4.15 – FRF S do provete 3 e modos de ressonância analíticos (Am aral et al., 2011a). ................. 199  Figura 4.16 – Protótipo de um ens aio Proctor: a ) definindo os ramos seco s e húmidos do material; b) representação gráfica dos pontos do modelo A, B e C. (Amaral et al., 2012b). .................... 203  Figura 4.17 – Medições ex perimentais e repres entaçã o da curva analítica de compactação (Amaral et al., 2012b) . ....................................................................................................... ........................ 209  Figura 4.18 – Ajuste analítico da curva d e co mpactação a diversos ensai os Proctor para diferentes tipos de geomateria is: a) GC; b) SM; c) CS ; d) CL. (Amaral et al., 2012b) . ............................ 211  Figura 4.19 – Pormenor dos en saios Proctor e resposta ao inquérito: a) CS; b) CL . (Amaral et al., 2012b) . .................................................................................................................. ............................... 213  Figura 4.20 – Separação d o modelo e respostas em função da posição de γ d máximo medido: a) ramo seco; b) ram o húm ido. (Amaral et al., 2012b). .......................................................................... ... 214  Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes xxviii Índices xxix ÍNDICE DE QUADROS Quadro 2.1 – Espe cificação de CBR i para aterros tratados como ci mento ( EP, 2009). ............................. 16  Quadro 2.2 – Espe cificação para solos estabili zados in situ (PG3, 2004; adaptado de Minguela, 2008). .............................................................................................................. ............................ 17  Quadro 2.3 – Intervalo de valore s de densidade e E para as estruturas de solo -cimento segundo UIC (1989). ........................................................................................................... ........................ 20  Quadro 2.4 – Intervalo de valore s de densidade, E e CBR para as estruturas de solo-cimento segundo ADIF (2006). .......................................................................................................... ....................... 20  Quadro 2.5 – Características mecânicas do CE M I 52,5 R. ....................................................................... 22  Quadro 2.6 – Volume de a ditivo retardador de presa a adiciona r ao solo-cimento em funçã o da temperatura no momento da mi stura (Minguel a, 2007). ........................................................................ 25  Quadro 2.7 – Re sultados de V S e G 0 para cada um dos tipos de ci mento (Ismail et al., 2004). ................ 26  Quadro 2.8 – Variáveis / parâmetros de entrada em função do tipo de anál ise. ........................................ 32  Quadro 2.9 – Fatore s que influenciam o comportamen to dinâmico dos solos e respetiva classificação (adapt ado de Barros, 1997). ..................................................................................... ............. 70  Quadro 2.10 – Modelo s existentes para prev isão da deformaçã o permanente de materiais granulares não cimentados (Korad & Nguy en, 2006). ............................................................................. ... 76  Quadro 2.11 – Modelo s existentes para previsão da resposta resili ente de materiais granulares não cimentados (Korad & Nguy en, 2006). ............................................................................. ... 77  Quadro 3.1 – Valore s indicativos dos parâme tros da envolvente M ohr-Coulom b determinados por Viana da Fons eca (1996). .................................................................................................. ................. 101  Quadro 3.2 – Parâmet ros físicos medidos na fase inicial e final dos ensaios (Amaral et al, 2012a). ....................................................................................................................... ................................ 114  Quadro 3.3 – Valore s de B e V S em função de p’ . .................................................................................... 123  Quadro 3.4 – Re sultados provenientes da aplic ação dos critérios d e definição da pressão de cedência (k Pa). ............................................................................................................... ........................... 127  Quadro 3.5 – Condições iniciais dos provet es submetidos aos en saios triaxiais. .................................... 133  Quadro 3.6 – Resultados do s ensaios de ondas sísm icas no provete de so lo seco. ............................... 142  Quadro 3.7 – CBR em função do númer o de pancadas na co mpactação. .............................................. 146  Quadro 3.8 – Coeficiente de abs orção de água do agregado. ................................................................. 148  Quadro 3.9 – Peso volúmico das pa rtíc ulas sólidas do agregad o. ........................................................... 148  Quadro 3.10 – Equivalente de areia e limites de Atterber g do agre gado. ................................................ 148  Quadro 3.11 – Informação e resultados dos provetes submetidos a o ensaio de compressão diametral. .................................................................................................................... ............................... 153  Quadro 3.12 – Tensões e número de ci clos para ensaios do tipo 1 (adaptado de CEN, 2004). ............. 155  Quadro 3.13 – Módulo resiliente para a fase de condicion amento de um provete de agregado tratado com 5% de cimento ( adaptado de Amar al, 2010). ........................................................................ 156  Quadro 3.14 – Informação geral de cada provete analisado às muito pequenas defo rmações. ............. 159  Quadro 3.15 – Tensões e número de ci clos para o ensaio do tipo 1 (adaptado de CEN, 2004). ............ 160  Quadro 3.16 – Resultados dos en saios de co mpress ão uniaxia l. ............................................................ 171  Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes xxx Quadro 4.1 – Caracte r ísticas dos provetes ap ós moldagem. ................................................................... 179  Quadro 4.2 – Princi pais características das difer entes misturas de solo-cimento compactadas. ............ 193  Quadro 4.3 – Resultados obtidos atra vés da medição das ondas L e P. ................................................. 197  Quadro 4.4 – Valore s de G 0 para todos os provetes ensaiado s com bender elements . .......................... 198  Quadro 4.5 – Valore s característicos necessários para o cálculo do s coeficientes de amortecimento. ................................................................................................................ ......................... 199  Quadro 4.6 – Difere nças entre os resultados apresen tados pelo algoritmo e por um técnico experiment ado. ................................................................................................................ ......................... 212  Quadro 4.7 – Variávei s determinísticas e não pa ramétricas do estudo estatístico efetuado ao s resultados do inquérit o. ...................................................................................................... ....................... 215  Quadro 4.8 – Comp aração entre os resultados obtido s no inquérito e os resultados do modelo. ............................................................................................................................... ....................... 216  Quadro 4.9 – Princi pais características dos provetes u tilizados no modelo de integra ç ão da sucção. ....................................................................................................................... ............................... 219  Quadro 5.1 – Principai s características do s provetes utilizados na análise MIP. .................................... 244  Quadro 5.2 – Parcela s de e divididas por duas percent agens de cimento e diferent es índices de vazios. .................................................................................................................... .............................. 252  Quadro 5.3 – Macro e micro poros idade do conjunto de provetes. .......................................................... 254  Quadro 5.4 – Principai s características do s provetes utilizados na análise WP4. ................................... 261  Quadro 5.5 – Principai s características do s provetes utilizados na análise FESEM. .............................. 270  Quadro 6.1 – Aplica ç ão da normalização η /( V c / V t ) 0,21 aos provetes utilizados por Rios (2011). ............. 296  Quadro 6.2 – Programa experimental realizado por Rios (2 011). ............................................................ 298  Quadro 6.3 – Defini ção de p’ (kPa) para o início do corte do programa experimental acertado. ............ 299  Quadro 6.4 – Caracte r ísticas de moldag em dos provetes ensaiado s a altas pressões em condições monotóni cas. ............................................................................................................................ 30 6  Quadro 6.5 – Comp aração entre parâmetros da equação da NCL para o s provetes com η /( V c / V t ) 0,21 =36. ............................................................................................................................... ........... 308  Quadro 6.6 – Grandezas necessárias à deter minação da posiç ão do círculo de Mohr. .......................... 312  Quadro 6.7 – Valores de ro tura e ângulo de atrito em estado crítico dos provete s ensaiados. ............... 313  Quadro 7.1 – Lista de condições requeri das para os provetes ensaiados isotropicame nte a altas pressões. ............................................................................................................... ........................... 337  Quadro 7.2 – Princi pais características dos pr ovetes submetidos aos ensaios isotrópicos de altas pressões após a mo ldagem. ............................................................................................... ............. 338  Quadro 7.3 – Princi pais características dos provetes submetidos aos ensaios MIP e WP4 após a moldagem. ............................................................................................................................... ...... 339  Quadro 7.4 – Caracte r ísticas dos provetes s ubmetid os aos ensaios de compressão isotrópi ca após 28 dias de cura . ......................................................................................................... ....................... 342  Quadro 7.5 – Características do s provetes imediatamente antes da c ompressão isotrópica. ................ 346  Quadro 7.6 – Rigidez dos provetes à recompre ssão, compressão e desc arga isotrópicas. ................... 356  Quadro 7.7 – Características de estado na cedência is otrópica dos provetes de solo-c imento. ............. 360  Índices xxxi Quadro 7.8 – Varia ç ão do índice de vazios micro e m acroestrutural em p*y em função de cada prov ete. ................................................................................................................. ............................ 367  Quadro 7.9 – Princi pais propriedades a n ormalizar e cálculo de F em função dos provetes. .................. 368  Quadro 7.10 – Gran dezas estatísticas determinadas a partir do F agrupado por mistura. ...................... 369  Quadro 7.11 – De svio da pressão de pré-conso lidaçã o aparente entre os resultado s medidos e os resultados estimados. .................................................................................................... .................... 374  Quadro 8.1 – Características dos pr ovetes após um dia de c u ra. ............................................................ 385  Quadro 8.2 – Velocid ades de propagação das o ndas longitudinais ( V L ) medidas para cad a provete em função do seu tempo de cura (m/s). ....................................................................................... 391  Quadro 8.3 – Velocid ades de propagação das S ( V S ) medidos pa ra cada provete em função do seu tempo de cura (m/ s). ...................................................................................................................... 395  Quadro 8.4 – Freq uências de ressonância analítica s calculadas a partir de V L e distância de propagação do prov ete TC_7%_S2. ............................................................................................... .......... 398  Quadro 8.5 – Coefi c ientes de amortecim ento calculados a partir do método half powe r bandwidth para o pico mai s elevado da FRF S dos provetes em função do tempo de cura (%). .............. 401  Quadro 8.6 – Caracte r ísticas fundament ais para análise com bender elem ents dos provetes de solo-cimento. .............................................................................................................. .......................... 407  Quadro 8.7 – Evolução d e w , ρ , V S e G 0 em função de p’ (provete NS _5_4%_S0). ................................ 410  Quadro 8.8 – Evolução d e w , ρ , V S e G 0 em função de p* (provete NS _4_4%_S 3) . ............................... 411  Quadro 8.9 – Pressã o de pré-consolidação aparente segun do o critério G 0 ( vide Ponto 3.1.5). ............. 419  Quadro 8.10 – Rá cios volumétricos vazios / cimento calcula dos a partir da porosidade inicial dos provetes. ................................................................................................................. ............................ 423  Quadro 9.1 – Principai s características dos pr ovetes utilizadas na caract eri z ação cíclica após desmoldagem. .................................................................................................................. ......................... 436  Quadro 9.2 – Principais características de ensaio dos provet es saturados. ............................................ 440  Quadro 9.3 – Princi pais características de ensaio dos provetes no início do ensaio triaxial cíclic o. ...................................................................................................................... .................................. 446  Quadro 9.4 – Cál c ulo da pressão de pré-con s olidação aparente em função de F e s . ............................ 453  Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes xxxii Índices xxxiii SIMBOLOGIA ∂ t Tempo de propagação [s] ∂ x Distância de propagação [m] A Amplitude [V] A 0 C s n a N C L [ m 5 /(s.kN 2 )] ABCP Associação Brasileira do cimento Portland A c Área corrigida [m 2 ] ADIF Administração de infraestruturas ferroviárias AENOR Associação Espanhola d e normalização e certificação AEV Ponto de entrada de ar [%] AFNOR Associação Francesa de normalização A i Á r e a i n i c i a l [ m 2 ] A q Área corrigida pelo efeito da tensão axial [m 2 ] ASTM Associação Americana de testes de materiais A t Índice de atividade da argila ATIC Associação de normas técnicas de indústria do cimento B Parâmetro de Skemtpon b Parâmetro que contabiliza o efeito da cimentação (BBM) b 0 Parâmetro que contabiliza o efeito da cimentação saturada (BBM) BBM Barcelona Basic Model BP Pressão interna [kPa] b u Parâmetro que contabiliza o efeito da cimentação não saturada (BBM) Ċ A 0 fora da NCL [m 5 /(s.kN 2 )] C Percentagem gravimétrica de cimento [%] c Teor em cimento [%] c ’ C o e s ã o [ k P a ] CBR Índice de suporte Califórnia [%] CBR i Índice de suporte Califórnia imediato [%] Ċ c Coeficiente de curvatura C c Índice de compressibilidade do solo CEM Cimento CEN Comité de normalização Europeu C IV Razão volumétrica de cimento [%] C M Correção de p’ por efeito de membrana [kPa] c' p Coesão que intercepta  ’ p [ k P a ] CP Pressão na célula triaxial [kPa] C s Constante sensível à anisotropia inerente [m 5 /(s.kN 2 )] CSL Linha de estados críticos C u Coeficiente de uniformidade CV Coeficiente de variação d Diâmetro livre e médio do poro penetrado [m] D 10 Tamanho da malha onde passa 10% de um solo [m] D 30 Tamanho da malha onde passa 30% de um solo [m] D 50 Diâmetro ef etivo [m] D 60 Tamanho da malha onde passa 60% de um solo [m] d c Espessura da camada de fronteira [m] e Índice de vazios E Módulo de deformabilidade [kPa] e 0 Extrapolação de e para p’ = 1kPa segundo C c E 0 Módulo de elasticidade dinâmico [kPa] e dep Índice de vazios medido pela despressuriza ção de mercúrio Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes xxxiv e i Índice de vazios inicial E i,t Módulo de tração indireto [kPa] e macro Índice de vazios macroestrutural e micro Índice de vazios microestrutural e np Índice de vazios não pe netrável por mercúrio e nw Índice de vazios preenchido por mercúrio E P Energia Proctor [j] EP Estradas de Portugal e p Índice de vazios penetrável por mercúrio EPS Componente elasto-plástica E r Módulo resiliente [kPa] ES Componente elástica E t Módulo de deformabilidade à tração [kPa] E t,b E t no ensaio Brasileiro [kPa] f Frequência [Hz] F Índice de normalização vazios/cimento [%] F(e) Função do índice de vazios f 1 Frequência alta de f k - 3 d B [ H z ] f 2 Frequência baixa de f k - 3 d B [ H z ] f c Correção por efeito de membrana por localização [kPa] FESEM Microscopia e digitalização por emissão de campo de eletrões FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto f k Frequência de ressonância [Hz] FRF Função resposta de frequência FRF S Função resposta de freq uência do provete [V] f s Fator corretivo de q FT Transformada de Fourier g Aceleração da gravidade [m/s 2 ] G 0 Módulo de distorção dinâmico [kPa] G s Densidade das partículas sólida s GSED Detetor gasoso de eletrões secundário GTS Norma Francesa para solos H A l t u r a [ m ] H be Altura dos b ender elements [ m ] h c Altura de água capilar [m] H f A l t u r a f i n a l [ m ] H P Altura de queda do pilão Proctor [m] I c Índice de consistência I p Índice de plasticidade [%] IRF Função resposta de impulso [V] IRF TR IRF dos eletrónicos e transdutores [V] IRF TSR IRF dos eletrónicos, transdutores e provete [V] IRF S IRF do provete [V] I VC Rácio de razões volumétricas [%/%] k Taxa de incremento da coesão com a sucção (BBM) k 0 Coeficiente de impulso em repouso K 0 Módulo de deformabilidade volumétrico [kPa] K a K 0 d o a r [ k P a ] K sk K 0 do esqueleto sólido [kPa] K w K 0 saturado [kPa] LA Los Angeles LabGeo Laboratório de Geotecnia da FEUP Índices xxxv LC Carga de colapso LDT Transdutor de desloca mento linear LEA Laboratório de engenharia de Angola LNEC Laboratório nacional de engenharia civil LVDT Transformador diferencial linear variável M Declive da linha de rotura em estado crítico M 0 Módulo confinado dinâmico [kPa] m 1 Massa do recipiente [kg] m 2 Massa do recipiente mais solo húmido [kg] m 3 Massa do recipiente mais solo seco [kg] MEF Método dos elementos finitos M f 0 Módulo confinado real [kPa] MIP Porosímetro de intrusão de mercúrio N Extrapolação de ν para p’ = 1kPa segundo λ n Número de modo n a , n b , n Expoentes determinados experimentalmente NCL Linha normalmente consolidada NE Norma Europeia NP Norma Portuguesa NS Não saturado P C a r g a a x i a l [ k N ] p Pressão de mercúrio [kPa] p* Pressão total média [kPa] p* co p 0 de um material cimentado [kPa] p* n Estimativa de p*y [kPa] p* t Resistência à tração isotrópica satur ada [kPa] p*y p* 0 num plano e vs. p* [kPa] p’ Pressão efetiva média [kPa] p’ c Pressão efetiva equivalente na CSL [kPa] p’ e Pressão efetiva equivalente na NCL [kPa] p’ f Pressão efetiva média em estado crítico [kPa] p’ max Pressão efetiva média máxi ma [kPa] p’ min Pressão efetiva média mínima [kPa] p 0 Pressão de pré-consolidação saturada [kPa] p 0 * Pressão de pré-consolidação não sa turada [kPa] p atm Pressão atmosférica [kPa] p c Pressão de referência [kPa] PCA Associaçã o do cimento Portland p co p 0 * num material cimentado [kPa] PG3 Prescrições técnicas Espanholas PM Proctor modificado PN Pressão interna no topo do provete [kPa] p s Resistência à tração isotrópica não saturada [kPa] PSD Função den sidade de tamanho de poros p t Resistência à tração isotrópica cimentada não saturada [kPa] Q Tensão de desvio de rotura [kPa] q Tensão de desvio [kPa] q corr Tensão de desvio corrigida [kPa] q f Tensão de desvio em estado crítico [kPa] q max Tensão de desvio máxi ma [kPa] q min Tensão de desvio mínima [kPa] QS Classificação de solos q t Resistência à tração [kPa] q t,b Resistência à tração no ensaio Brasileiro [kPa] Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes xxxvi q u Resistência à compressão uniaxial [kPa] R Constante universal de gás [j/(mol.K)] r Proporção entre κ e λ (0) (BBM) R 2 Coeficiente de determinação RH Humidade relativa [%] R s Raio de curvatura [m] RSD Solo remexido denso RSS Solo remexido solto S Grau de saturação [%] s Sucção total desprezada da sucção osmótica [kPa] S1, S2, S3 Classificação qualitativa do solo SBS Superfície de estado lim ite SE Equivalente de areia S-EST Tipo de solos SL Linha de recompressibilidade S r Grau de saturação residual [%] S r,nw Grau de saturação do mercúrio [%] STD Desvio padrão SWCC Curva característica do solo-água T Temperatura absoluta [K] t T e m p o [ s ] TC Triaxial cíclico TF Função transferência t f P Tempo de propagação real das ond as P [s] THSRC Especificações normativas de Taiwan TIFSA Direção de via e exploração Espanhola t L Tempo de propagação das ondas longitudinais [s] t P Tempo de propagação das ondas P [s] T s Resultante de pressão [kN] t S Tempo de propagação das ondas S [s] u Pressão neutra [kPa] u a Pressão do ar [kPa] UIC União internacional de caminhos-de-ferro UPC Universidade Politécnica da Catalunha u v Pressão par cial de vapor de água no poro do solo [kPa] u v0 Pressão de saturação do vapor de água [kPa] u w Pressão da água [kPa] V V o l u m e [ m 3 ] V c Volume de cimento [m 3 ] V f V o l u m e f i n a l [ m 3 ] V i Volume inicial [m 3 ] V k Extrapolação de ν para p’ = 1kPa segundo κ V L Velocidade das ondas longitudinais [m/s] V P Velocidade das ondas P [m/s] V R Velocidade das ondas Rayleigh [m/s] V S Velocidade das ondas S [m/s] V s,c Volume das partículas sólidas do cimento [m 3 ] V s,m Volume das partículas sólidas da mistura [m 3 ] V s,s Volume das partículas sólidas do solo [m 3 ] V S Sr=1,0 V S no estado saturado [m/s] V t V o l u m e t o t a l [ m 3 ] V v V o l u m e d e v a z i o s [ m 3 ] Índices xxxvii W P e s o [ k N ] w Teor em água [%] W d P e s o s e c o [ k N ] W d,a Peso seco do agregado [kN] W d,c Peso seco do cimento [kN] W d,L Peso seco de solo perdido [kN] W d,m Peso seco da mistura [kN] W d,s Peso seco do solo [kN] W f P e s o f i n a l [ k N ] w f Teor em água final [%] Wi Nível de sucção W i P e s o i n i c i a l [ k N ] w i Teor em água inicial [%] w L Limite de liquidez [%] W m Peso da mistura [kN] w opt Teor em água ótimo [%] W P Peso do pilão Proctor [kN] w P Limite de plasticidade [%] W p Peso do provete [kN] WP4 Potenciómetro de ponto de orvalho W s P e s o d o s o l o [ k N ] W t Trabalho total [j] W t,p’ Trabalho total normalizado [j/m 3 ] W w Peso da água [kN] w ν Massa molecular do vapor de água [kg] x Expoente e mpírico de C IV X(t) Sinal da onda de excitação [V] X( ω ) Força harmónica de excitação [V] Y(t) Sinal de resposta [V] Y( ω ) Reposta harmónica [V] α Ângulo entre t P e o primeiro ponto de inflexão de sinal β Ângulo entre a superfície e T s β Constante entre a rigidez e sucção (BBM) γ P e s o v o l ú m i c o [ k N / m 3 ] γ d Peso volúmico seco [kN/m 3 ] γ d,c Peso volúmico seco do cimento [kN/m 3 ] γ d,m Peso volúmico seco da mistura [kN/m 3 ] γ d,max Peso volúmico seco máxim o [kN/m 3 ] γ d,s Peso volúmico seco do solo [kN/m 3 ] γ f Peso volúmi co volúmico final [kN/m 3 ] γ i Peso volúmico volúmico inicial [kN/m 3 ] γ s Peso volúmico das partículas só lidas [kN/m 3 ] γ s,c Peso volúmi co das partículas sólidas do ciment o [kN/m 3 ] γ s,m Peso volúmico das partículas sólida s da mistura [kN/m 3 ] γ s,s Peso volúmico das partículas sólidas do solo [kN/m 3 ] γ w Peso volúmi co da água [kN/m 3 ] δ Diferença entre deformações [%] Δ p s Incremento de p 0 devido à não saturação [kPa] Δ p s co Incremento de p 0 de um material cimentado com s [kPa] Δ p s s Incremento de c’ devido à não saturação [kPa] ∆ u Excesso de pressão neutra [kPa] Δ Ф 0 Deformação diametral a 0º a 0,30Q; [m] Δ Ф 60 Deformação diametral a 60º a 0,30Q; [m] ε a Deformação axial [%] Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 4 Os supracitados objetivos pressu põem o de senvolvimento de um programa experimental extenso. Recorrendo à experiência de Rios (20 11), são selecionadas quatro combinações de misturas de solo e cimento. Com efeito, o estudo patenteado pelo presente documento analisa, para além do solo em condições nã o cimentadas, as quatro misturas definidas por Rios (2011) em toda a sua extensão do programa experimental. 1 1 . . 3 3 V V a a n n t t a a g g e e n n s s d d e e u u m m e e s s t t u u d d o o e e x x a a u u s s t t i i v v o o d d e e b b a a s s e e s s g g r r a a n n u u l l a a r r e e s s O grande investimento em obras geotécnicas nos últimos anos, em particular em obras de vias- férreas e a perspetiva do desenvolvimento do projeto das linhas ferroviárias de Alta Velocidade, que constitui um grande desafio na área específica da geotecnia de at erros, impõe o aument o do conhecimento académico e consequentemente dos especialistas em geotecnia que se responsabilizam pela sua conceçã o e execução. Assim mesmo, a utilização de técni cas tradicionais da engenharia geotécnica colide, muitas vezes, com dificuldades impostas por custos elevados ou por limitações de carácter ambiental. A utilização de bases granulares pa ra rodovias ou ferrovias, por exemplo, torna-se inviável quando a ja zida se encontra muito distante do local da obra, pelos elevados custos e danos ambientais associados. Outro exemplo é a execução de fundações em terrenos de baixa capacidade de suport e, onde a utilização de fundações profundas e os custos associados a essa solução podem tornar-se incompatíveis pela dimensão do empreendimento. Os resultados apresentados neste trabalho fornecem critérios de aplicação de misturas de solo-cim ento que atendem à resistência e propriedades requeridas em projeto. A utilização preferencial, por exemplo, de uma proposta da relaçã o vazios-cimento ou de sequências particulares de execução da construção, para otimização da preservação da estrutura conseguida pelos ligantes, é um ganho evidente para a geotecnia. Estas questões apresentam grande utilidade no controlo da execução de camadas tratadas com cimento, na medida em que, constatada uma compactação inferior ao prescrito, pode estimar- se com confiança, através da curva da resistência versus relação vazios/cimento, a perda de resistência decorrente deste facto e, consequentemente, adotar medidas corretivas como, por exemplo, o reforço da camada tratada, ou ai nda a redução d o carregamento a transmitir. Capítulo 1. Introdução 5 1 1 . . 4 4 O O r r g g a a n n i i z z a a ç ç ã ã o o d d a a d d i i s s s s e e r r t t a a ç ç ã ã o o A presente dissertação está dividida em 10 capítulos organizados da seguinte forma:  Capítulo 1. Introdução Trata-se do presente capítulo e realiza uma breve explanação que justifica o estudo documentado nesta dissertação. Ex põe os seus objetivos e auxilia à compreensão da sua organização.  Capítulo 2. Estado da arte Devido à grande diversidade de temas que a presente investigação aborda, o Capítulo 2 corresponde à divisão d e maior desenvolviment o. Nele são abordadas, sob os pont os de vista teórico e histórico, as temáticas discutidas ao longo da dissertação. Dedica-se prin cipalmente à mecânica das areias cimentadas não saturada s. No entanto, esta disposição não elimina a necessidade de breves referências históricas dispostas nos restantes capítulos.  Capítulo 3. Caracterização dos materiais utilizados para mistura com cimento Tal como ficou referido no prólogo, esta investigação é principalmente dedicada ao estudo da areia siltosa do Porto em condições cimentadas. Porém, é esporadicamente analisado um agregado calcário que permitiu con c lusões interessantes sob o ponto de vista da dinâmica de solos e carregamento diametral. Semelhantes conclusões não puderam ser retiradas a partir das análises ao solo por razões infra analisad as. Como algumas aplicações foram comuns a ambos os geomateriais, justifica-se a inclusão da análise do agregado do calcá rio no corpo desta dissertação. O Capítulo 3 caracteriza geo tecnicamente os dois materiais utilizados sem qualquer adição de cimento.  Capítulo 4. Propostas de modelos para interpretação de resultados Durante o período de investigação, foram desenvolvidas técnicas originais, portad oras de bons resultados, que foram utilizadas na interpretaçã o de resultados dos diversos ensaios efetuados. Justifica-se a sua inclusão por representarem um contributo novo à arte. Entre as técnicas desenvolvidas destacam-se: Um algoritmo numér ico para análise de sinais no domínio do tempo (Viana da Fonseca et al., 2012a); Um modelo numérico para estimar a função transferência do solo-cimento (Amaral et al., 2011a); Um modelo analítico para interpretar a curva de compactação Proctor (Amaral et al., 2012b); Uma metodologia de integração sucção em ensaios triaxiais com teor em água consta nte (Amaral et al., 2012c) e um novo índice que normaliza as variáveis índice de vazios e teor em cimento. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 6  Capítulo 5. Ensaios especiais (MIP, WP4 e FESEM) O Capítulo 5 nasce como um apoio ao Capítulo 7 e dedica a sua análise à vertente microestrutural e hidráulica da ar eia siltosa do Porto, com e sem cimento. A designação “especiais” advém da relativa invulgaridade destes ensaios e sua aplica ção em geotecnia.  Capítulo 6. Ensaios triaxiais monotónicos saturados de altas pressõe s Neste capítulo é protagonizada a continuação dos trabalhos de Rios (2011). Dedica-se exclusivamente à caracterização do solo-cimento à luz da teoria dos estados críticos em condições saturadas.  Capítulo 7. Avaliação da pressão de cedência do solo-cim ento e da sua desestruturação sob carregamento isotrópico de altas pressõe s No Capítulo 7 é analisado o limite elástico das misturas de solo-cimento, através da análise da sua pressão de cedência sob carregamento isotrópico, em função do teor em cimento, índice de vazios inicial e teor em água. Recorre-se dos ensaio s especiais realizados no Capítulo 5, efetuando uma integração direta com as grandezas micro e macro estruturais, bem como das propriedades de retenção do solo-cimento. Beneficia da caracterização do solo sem cimento à luz da teoria dos estados críticos, realizada no Capítulo 3, e proporciona uma plataforma de modelação do solo pelo Barcelona Basic Model (BBM). Este programa experimental foi conduzido com o recurso a uma câmara isotrópica de altas pressões.  Capítulo 8. Ensaios sísmicos de baixa energia Este capítulo está dividido em duas partes. A pr imeira diz respeito aos ensaios realizados com transdutores ultrassónicos em provetes que post eriormente foram submetidos à análise cíclica. A segunda parte está relacionada com os ensaios do Capítulo 7. Realiza uma análise dinâmica através de bender elements instalados na câmara isotrópica de altas pressões.  Capítulo 9. Ensaios cíclicos As cargas e deformações cíclicas existentes nas bases de caminhos-de-ferro é o objeto de análise do Capítulo 9. Realça o contraste entre deformações resilientes e permanentes e quantifica-as em função do carregamento numa câmara triaxial especificamente desenhada para carregamentos cíclicos. Posteriormente, r ealiza um paralelismo entre o comportamento cíclico e dinâmico do solo-cimento. Capítulo 1. Introdução 7  Capítulo 10. Conclusões e investigações futuras Por fim, o Capítulo 10 efetua um apanhado das principais con c lusões referidas em cada um dos capítulos anteriores e propõe modelos de investigação relacionados com o tema em que se insere a presente dissertação. Os anexos que se apresentam posteriormente ao Capítulo 10 fornecem a informação sistematizada de grande parte dos ensaios realizados durant e a investigação. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 8 Capítulo 2. Estado da arte 9 CAPÍTULO 2. EST ADO DA ARTE 2 2 . . 1 1 O O r r g g a a n n i i z z a a ç ç ã ã o o d d e e c c o o n n t t e e ú ú d d o o s s A presente dissertação abrange um leque variado de áreas de interesse da Geotecnia. Com efeito, e para fins de m elhor perceção dos conteúdos abordados, exige-se uma explicação que exponha as intenções do capítulo. Tal como foi referido no capítulo anterior, o tema que alinhava as orientações desta investigação é a caracterização de misturas de solo-cimento para aplicações específicas. A mistura em causa é o resultado da adição de cimento a um solo remoldado a partir do solo residual do granito do Porto (Viana da Fonseca et al., 1 997, 2006). Devido à extrema importância deste componente de investigação, foi reservado um capítulo talhado apenas para a sua caracterização ( vide Capítulo 3). À proposta inicial – caracterização de misturas de solo-cimento – foi adicionada a condição de variação de teor em água ( w ). A introdução desta variável teve como objetivo não só melhorar o carácter científico e a complexidade da investigação, como também aproximá-la às condições observadas na natureza. Em contraposição com a mecânica dos solos saturados, apresentad a por Terzaghi (1943), Alonso et al. (1990) e Fredlund & Rahardjo (1993) afirmam a existência de um grande número de solos na natureza em es tado não saturado, sugerindo a reformulação de algumas abordagens consagradas na teoria clássica para posterior adaptação à teoria vanguardista. Como o estudo do solo-cimento em condições não saturadas ainda se revela insipiente, torna- se necessário realizar o estudo separado de cada uma das condições (solo-ciment o / solo não saturado) para que no final se possa estabelecer a interceção de caraterísticas. Este estudo é fundamental na definição do plano de investigação. Porque um dos objetivos propostos consiste na caraterização dinâmica e cíclica, o presente ponto efetua uma resenha das pr incipais questões a considerar em cada um dos subtemas. Adicionalmente, é também realizado um apanhado dos principais aspetos a considerar na teoria dos estados críticos como consequência de mais uma análise efetuada nas misturas de solo- cimento. Em suma, no Capítulo 2 estão incluídas abordagens teóricas para caracterização dinâmica (elástica e cíclica) e estática (à luz da teoria do estados crít icos) para misturas de solo-cimento em condições saturadas e não sat uradas. No entanto, a abordagem teórica não se esgota no Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 10 presente, uma vez que também os restantes capítulos possuem a descrição de alguns dos contributos da arte à dissertação. 2 2 . . 2 2 S S o o l l o o s s c c i i m m e e n n t t a a d d o o s s 2.2.1 A origem dos solos cimentados A cimentação de um solo pode ser tanto herdada como adquirida e, para cada uma das formas, o processo pode ser destinto. De seguida são apresentados alguns dos pr ocessos de cimentação mais comuns. Nos solos residuais, como o caso em estudo, a cimentação deriva da herança da rocha-mãe (Viana da Fonseca, 1996). O termo herança sig nific a que a rocha-mãe sofre processos físicos e químicos de meteorização ( in situ ) mantendo, no entanto, um grau relativo da estrutura inicial. Viana da Fonseca (1998, 2003) e Matos Fernandes (2006) são ainda mais específicos quando afirmam que existem ligações cimentícias nos pontos de contacto dos grosso s, apresentando ilustrações comprovantes das suas afirmações. O grau de meteorização depende principalmente do clima e das características da rocha-mãe mas também das influências de eventuais fluxos de fluido, topograf ia e vegetação (Mitchell, 1976). A estrutura de um solo pode e s tar associad a a processos diagenéticos, ond e o grau de cimentação depende da intensidade do processo de formação. Os agentes cimentícios naturais mais típicos são a sílica, os carbonatos, óxi dos de ferro e a alumina. A cimentação da sílica acontece em climas secos e áridos mas com a precipitação mínima necessária para a existência de transformação química sem atingir a lixiviação. A cimentação originada pelos carbonatos de cálcio pode sucede r-se devido à precipitação no esqueleto arenoso de sais dissolvidos em águas duras (elevado teor calcário) ou marítimas. O processo de laterizaçã o, frequente em regiões de climas tr opicais, consiste na lixiviação da sílica e álcalis com a acumulação de óxido hidratado de ferro e alumina. Para estes casos, a cimentação é tão mais efetiva quanto maior for a deposição destes compostos nas ligações entre partículas. Como consequência dos processos descritos, é natural a existência de uma forte dispersão no grau de cimentação do solo quer na direção vertical como na horizontal. No caso particular do granito do Porto, este situa-se num clima temperado marítimo. A precipitação, temperatura e humidade elevadas, proporcionam um ambiente favorável às reações químicas envolvidas no processo de alteração das rochas. A vegetação abundante defende os solos da erosão, permitindo a acumulação do material meteorizado no local d e formação. A granolumetria extensa está na Capítulo 2. Estado da arte 11 origem da cimentação do solo residual, uma ve z que as partículas gr ossas são ligadas por pontes cimentícias const ituídas por partículas finas (Matos Fernandes, 2006). Relativamente ao solo-cimento, o cimento Portland e outros químicos utilizam-se como agentes cimentícios artificiais. Os processo s de est abilização de solo por ligante hidráulico são de execução complexa e necessitam de controlo rigoroso de índices de qualidade [e.g. intrusão, infiltração, injeção, fratura e jet grouting (erosão ) (López & Báez, 2000)]. Estas questões não se colocam como de carácter determinante na construção de bases e sub-bases para transportes, uma vez que a mistura é efetuada aquando a realização da terraplanagem. Este fator auxilia o processo, não havendo normalmente necessidade de inje ção. Os processos de adição de cimento a infraestruturas de transporte e sequ ências de construção encontram-se descritos em Minguela (2008) e Rios (2011). 2.2.2 Classificação do solo cimentado A maior parte dos sistemas de classificação de solos cimentados tem origens geológicas baseadas em descrições qualitat ivas do material, como por exemplo, as classificações para rochas carbonatadas pr opostas por Gile et al. (1966) e Rodrigues (19 88). Sob o ponto de vista da engenharia, para análise do comportamento geotécnico é importante, pelo menos, considerar dados de resistência mecânica na classificação do geomaterial. Neste sentido, Walsh (1997) efetua uma compilação de dive rsos trabalhos que, para além da classificação qualitativa, incorporam informação acerca da s ua resistência, concluindo a existê ncia de uma relação entre o aumento de resistência com o incremento da cimentação. Rad & Clough (1982), baseados na experiência no betão, propõem a resistência à compressão uniaxial ( q u ) c omo u ma medida da cimentação de um depósito. Utilizando o mesmo critério, Johnston & Novello (1993) propõem valores de q u para distinguir solo não cimentado ( q u <0,5MPa) de solo cimentado (0,5MPa < q u < 12,5MPa), permanecendo as rochas duras com valores de q u superiores a 12,5MPa. Johnston & Novello (1993) indicam que, de uma forma geral, a diminuição do valor d e q u implica um aumento da influência de resistência intacta do material, bem como a sua compressibilidade e capacidade de gerar pressão neutra ( u ). Posteriormente, surgem outros tipos de classifi cações. A Figura 2.1 mostra um exemplo de um tipo de discretização, realizada em escala logar ítmica, da resistência proposta por Carvalho (2002). Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 12 Figura 2.1 - Cla ssificaçã o dos solos cime ntados (ada ptado de Carvalho , 2002). Por outro lado, existem outras classificaç ões que diferenciam o grau de cimentação pela quantidade de ligante presente na estrutura. Segundo Consoli (2008), para que um solo possa ser designado como solo-cimento, é necessário que a percentagem de cimento contida no seu interior seja superior a 2%, de forma a garantir propriedades mecânicas adequadas e durabilidade ao solo. Para valores inferiores a 2%, a desig nação deverá permane cer em “solo melhorado com cimento” e não “solo-cimento”. No entanto, a PCA (1971) afirma que a quantidade de cimento a conferir a o solo, para consecução do material solo-cimento, é aquela que confere determinadas propriedades mecâni cas e de durabilidade, de forma a garantir que o material se comporta como elemento estrutu ral. Segundo a mesma associação, elemento estrutural é cada uma das partes diferenciadas, ainda q ue vinculadas, nas quais pode ser dividida uma estrutura para efeitos do seu proje to. Existem porém divisões dos níveis de ciment ação substancialmente mais complexas, que são abordadas e descritas no Ponto 2.7. 2.2.3 Comportamento mecânico dos solos cimentados Vaughan et al. (1988) e Leroueil & Vaughan (1990) englobam o mesmo marco de trabalho, ensaiando diferentes geomateriais com vários tipos de cimentação cuja resistência e rigidez não podem ser determinadas exclusivamente pela porosidade e história de tensões. Os citados Capítulo 2. Estado da arte 13 autores sugerem que apesar da origem dos materiais ser complexa, no estudo das suas propriedades observa-se que os resultados p odem ser explicados através de leis gerais. Propõem que a estruturação (existente em argilas, solos residuais e materiais artificialmente cimentados), independentemente da sua origem, produz um incre mento de rigidez e um aumento da superfície de rotura. Um comportamento po sterior à rotura implica, segundo os autores, uma destruturação gradual incrementada pela defor mação do solo. Relativamente aos solos cimentados, as ligações existentes entre as partícu las sólidas determinam uma coesão real do solo. O material exibe um comportamento praticamente elástico até um dado valor de tensão, a partir do qual a coesão conferida ao solo começa a diminuir gradualmente com o incremento de deformação. A degradação das ligações afeta os comportamentos de tração e compressão. A citada degradação pode ser observada em ensaios edométricos, onde a curva do material cimentado se vai aproximand o da curva do solo em estado remoldado, como se observa nos ensaios edométricos efetuados por Maccarini (1987) num solo estabilizado com ligante hi dráulico ( vide Figura 2.2). Figura 2.2 – Ens aios edo métricos em so lo cimentado ( adaptad o de Maccari ni, 1987). Por outro lado, a perda de cimentação entre partículas pode incluir um aumento no volume do solo, tal como foi verificado por Griffiths et al. (1988) em ensaios edométricos em argilas cimentadas e sobreconsolidadas. Cuccovillo & Coop (1993) examinam a influência da resistência dos contactos de cimento em provetes de areia carbonatada para vários teores e m cimento ( c ) em condições de carregamento isotrópico. Cuccovillo & Coop (1993) constatam que o efeito da cimentação faz Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 20 As diferentes camadas da plataforma devem cumprir os requisitos em relação ao grau de compactação e E tal como explica o Quadro 2.3. Quadro 2.3 – Interval o de valore s de densidad e e E par a as estrutura s de sol o-cimento segu ndo UIC (1989). Tipo  de  estrutura  Proctor  Modificado  (%)  E  (MPa )  Núcleo  da  ter raplanagem ≥ 95  [45;  60]  Camada  de  forma ≥ 100 ≥  80  A ficha UIC (1989) impõe 5% como valor de CBR mínimo para o solo a estabilizar. A ADIF (2006) adota uma classificação semelhante à UI C (1989). As suas características e requisitos dependem da função de cada uma das ca madas da via. De forma esquemática, os preceitos para cada uma das camadas estão apresentados n o Quadro 2.4. Quadro 2.4 – Intervalo d e valores d e densidad e, E e CBR para as estru turas de solo-cimento segund o ADIF (2006). Tipo  de  estrutura  Proctor  Modificado  (%)  E  (MPa )  CBR  (%)  Núcleo  da  ter raplanagem ≥ 95  [30;  60] ≥  5  Camada  de  forma ≥ 100 ≥  80 ≥  10  Segundo a ADIF (2006), a camada de forma não deve cont er mais do que 5% de finos. A sua espessura estabelece- se em função da qualidade do material de suporte da fundação da terraplanagem, com espessuras nula, 40cm e 60cm para quantidades de finos menores que 5%, 15% e 40%, respetivamente. 2.2.5.4 Especificações de Taiw an (THSRC, 2001) Esta norma aproveita a classificação de solos utilizada pe la UIC (1989), com ligeiras alterações. A THSRC (2001) considera como função da cam ada hidraulicamente estabilizada; assegurar uma boa distribuição de cargas, proteger as camadas subjacentes contra a erosão, evitar grandes infiltrações na sub-base e prevenir a penetração de finos no le ito do aterro. O solo a estabilizar deve possuir uma distribuição granulométrica compreendida no intervalo de granulometria apresentado na Figura 2.5. Capítulo 2. Estado da arte 21 Figura 2.5 – Intervalo de granulomet ria proposto para o solo a estabilizar segun do a THSRC (2001). As espessuras mínimas da estrutura de solo -cimento estão compreendidas entre 0,20m e 0,50m. Segundo a mesma norma, devem obedecer a uma série de requisitos mínimos verificados in situ como dureza, floculação e limpeza. A THSRC (2001) permite ao projetista uma maior liberdade de atuação face às restantes normas apresentadas. Nos seus conteúdos podem ser encontradas recomendações como as listadas de seguida:  Solo utilizado [96%; 97%];  Cimento (a especificar depois de estudo) [3%; 4%];  Água (a especificar depois de estudo). A quantidade de cimento deve ser definida pelo projetista através das seguintes característica s [testando provetes cilíndricos com a relação apresentada na Eq. (2.3)]:  7 dias de cura; q u ≥ 2MPa; q t ≥ 0,3MPa;  28 dias de cura; q u ≥ 3MPa;  90 dias de cura; q u ≥ 4,5MPa; q t ≥ 0,6MPa. O estudo deve incluir os resultados dos ensa ios para um teor em cimento ( c ) de 3%, 3,5% e 4%, calculados pela seguinte expressão:   ,       ,    (2.4) . em que: W d é o peso seco. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 22 O peso volúmico seco ( γ d ) e w dos provetes ensaiados não deve divergir mais do que 1% dos valores do teor em água ótimo ( w opt ) e peso volúmico seco máxi mo ( γ d,max ) calculado a partir do ensaio Proctor modificado. 2.2.6 Outros materiais do composto 2.2.6.1 Cimento Existem diversos tipos de cimento considerados satisfatórios para o exercício da estabilização de solos. Contudo, os cimentos Portland do tipo I e II são os mais utilizado s (Vitali, 2008). A Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP, 2002) não recomenda a utilização de cimento Portland de elevada resistência inicia l em obras correntes. Este tipo de ligante apresenta menores resistências a agentes nocivos, como por exemplo os sulfatos. Minguela (2007) efetua um levantamento e xaustivo das características a conferir ao cimento para a garantia de uma boa estabilização d e solos. Entre essas características destacam-se:  Presa retardada;  Baixa libertação de calor de hidratação (baixa quantidade em C 3 S);  Baixos níveis de retração de forma a evitar a abertura de fissuras por fadiga. Os cimentos do tipo II são os compostos que ma is se aproximam das características apontadas por Minguela (2007). Os baixos teores em cl ínquer dos cimentos do tipo II devem se r compensados com a adição de adjuvantes de incremento de resistência. O cimento utilizado no Laboratório d e Geotecnia da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (LabGeo) não cumpre as recomendações impostas por Minguela (2007). Para efeitos de eficiência de investigação é utilizado um ci mento do tipo I (CEM I 52,5 R) de rápida presa inicial e elevado calor de hidratação. As suas características mecânicas são for necidas pela SECIL ® e estão apresentadas no Quadro 2.5. Quadro 2.5 – Característic as mecânicas do CEM I 52,5 R. Resistência  à  compressão,  q u  (MPa)  Resistência  aos  primeiros  dias Resistência  de  referência  2  dias  7  dias  28  dias  ≥ 30 ‐  (1)  ≥ 52,5  (1) Não aplic ável Capítulo 2. Estado da arte 23 A ficha técnica do CEM I 52,5 R alerta que a resistência de provetes de betão com este cimento é extramente afetada pela relação água/cimento. Esta característica é influenciada pela elevada quantidade de C 3 S dos cimentos de presa rápida. O C 3 S é o responsável pela libertação de calor no processo de hidratação, que provoca a evaporação da água. Para garantir a completa cura de provetes de betão com cimento CEM I 52,5 R é ne cessária maior quantidade de água do que a necessária p ara hidratar um provete com cimento de presa normal. Uma pequena redução da relação água/cimento pode provocar a não completa hidratação, influenciando a resistência final do betão. 2.2.6.2 Água A água potável é considerada satisfatória para utilização em misturas de solo-cimento (Vitali, 2008). Segundo Ingles & Metcalf (1972), a água necessária para a hidratação do cimento é aproximadamente 50% do peso seco do cimento. Já Lopes (2007) conclui que o w opt é suficiente para hidratar a totalidade de cimento conferido a um solo. Para efeitos desta investigação, houve um cuidado constante no cumprimento destes dois requisitos com o objetivo de remoção da variável “hidratação” da caraterização geotécnica. Concomitantemente, o peso em água para atingir o w opt dos provetes ensaiados na presente investigação foi sempre substancialmente maior do que 50% do peso em cimen to do provete mais cimentado. Com efeito, o cumprimento da recomendação de Lopes (2007) pressupôs a satisfação do critério de Ingles & Metcalf (1972). A cimentação ocorre principalmente quando se adiciona água ao cimento. As reações químicas de hidratação como a dos silicatos hidratados d e cálcio e a dos aluminatos hidratados de cálcio são explicadas conforme se segue. No caso em análise, a estabilização ocorre devido às forças de adesão resultantes da cimentação. Os silicatos e aluminatos de cálcio ligam-se às partícula s do solo, conferindo maior resistência à mistura. As reações químicas entre o cimento e a água são explicadas por:      →        󰇛  󰇜  (2.5) .  󰇛  󰇜  →   2 󰇛  󰇜  (2.6) . As reações supra descritas são r esponsáveis pela hidratação do cimento. De seguida, são expostas as reações entre a pasta de cimento hidratada com a sílica (SiO 2 ) e alumina (Al 2 O 3 ) do solo (reações pozolânicas). Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 24   2 󰇛  󰇜      →   (2.7) .   2 󰇛  󰇜        →   (2.8) . Os compostos CSH e CAH são os agentes cimentícios responsáveis pelo aumento de resistência. Gomes Correia (2004, 2006) verifica que o aumento de c leva a um acréscimo da quantidade granular do solo modificado, im plicando menor poder de absorção de água de mistura e maior estabilidade em termos de variações volumétricas e de capacidade de carga. O mesmo autor afirma que os elementos resistentes originados pela h idratação estão formados aproximadamente ao fim de u ma hora e que o atra so na compactação conduz a um au mento de w opt e a uma diminuição de γ d,max . Com efeito, para aproximar as características dos provetes às condições in si tu , a sua compactação não excedeu 30 minutos, o que verifica as recomendações do LNEC (1972). 2.2.6.3 Adjuvantes Pelas razões supra referidas, os retardadores de presa são muito utilizados em misturas de solo-cimento, apresentando como função principal promover o retardamento do tempo de presa a partir da intervenção nas reações químicas en tre o solo e o cimento (Minguela, 2007). Sob o ponto de vista prático da engenharia, a AENOR (1996) sugere que o tempo mínimo de trabalhabilidade seja de 3 horas, uma vez que para a execução de uma base para infraestrutura de transporte, em toda a sua largura de pista, são necessárias aproximadamente o mesmo número de horas. Considerando os trabalhos de Gomes Correia (2004), apresentados no Ponto 2.2.6.2, é evidente a necessidade de utilização de retardadores de presa. Como os provetes de solo-cimento da presente investig ação (em laboratório) satisfazem as recomendações LNEC (1972), não é necessário o recurso a qualquer adjuvante deste tipo. A quantidade de adjuvante a utilizar depende, segundo Minguela (2007), da temperatura ao longo de toda a execução da mistura de so lo-cimento. Qua nto mais elevada for a temperatura, maior a quantidade de adjuvante necessária. No Quadro 2.6 verificam-se as quantidades de adjuvantes recomendadas consoante a temperatura. Capítulo 2. Estado da arte 25 Quadro 2.6 – Volume de aditivo re tardador de presa a ad icionar ao solo-cimen to em função da tempe ratura no momento d a mistura (Mi nguela, 200 7). Volume  de  Aditivo  Temperatura  0,6 ‐ 1,0  l/m 3  5ºC ‐ 10ºC  1,0 ‐ 1,5  l/m 3  10ºC ‐ 20ºC  1,5 ‐ 2,0  l/m 3  20ºC ‐ 30ºC  2,0 ‐ 2,5  l/m 3 ≥  30ºC  2.2.6.4 Materiais nocivos Existem diversos materiais e condições que ata c am mecânica, química e eletricamente o so lo- cimento. De todos esses materiais, Ingles & Metcalf (1972 ) destacam, nos seus trabalhos, a grande influência da matéria orgânica. Não é por isso de surpreender que várias especifica ções normativas limitem a quantidade deste material a 1% do peso do solo seco. A matéria orgânica tem um efeito adverso na resistência final dos provetes e apresenta-se como um retardador do endurecimento do cimento, pois absorve os iões de cálcio que são libertados no momento da hidratação, influenciando negativamente as reações secundárias do cálcio libertado com a sílica e a alumina do solo, também res ponsáveis pelo aumento de resistência. 2.2.7 Fatores que afetam o comportamento mecânico do solo-cimento Para análise dos fatores que influenciam mecanicamente o comportamento do solo-cimento não são considerados os esf orços externos efetuados no mesmo, ou seja, pretende-se neste ponto avaliar o comportamento intrínseco sem qualquer agente de força ext erno. São inúmeros os parâmetros que afetam o comportamento mecânico do solo-cimento. Este tema é alvo de discussão nos trabalhos de d iversos autores, que destacam a influência do solo, tipo e quantidade de cimento, tempo de cura, porosidade e quantidade de água no esqueleto do solo- cimento [Acar & El-tahir (1986), Huang & Airey (1993), Zh u et al. (1995), Consoli et al. (2000), Schnaid et al. (2001), Kongsukprasert et al. (2005), Khan et al. (2006), Rios (2011), entre outros]. 2.2.7.1 Qualidade do solo e do cimento Através da adição de cimento, praticamente todo o tipo de solo é conte mplado pelo melhoramento das suas características mecâni cas (Vitali, 2008). No entanto, o tr atamento de solo com cimento pode incorporar desvantagens económicas. A quantidade de cimento Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cí clico de misturas de solo-c imento para infraestruturas de transportes 26 necessária à estabilização está relacionada co m a quantidade de finos presentes no solo (Rios, 2011). Segundo o mesmo autor, não é boa política proceder à estabilização de ar gilas através de cimento, sendo que, para estes casos é mais recomendada a utilização de cal. Amaral (2009), baseado em Miguela (2007), apresenta uma ilustração da distribuição granulométrica que julga ideal para estabiliza ç ão de solo com recurso a ci mento ( vide Figura 2.6). Figura 2.6 – Distr ibuição ótima entre grossos e finos p ara a estabil ização do solo com cimento (Amar al, 2009). Por outro lado, Rios (2011) afirma que a ciment ação ocorre entre os contactos das partículas. Com efeito, num solo bem graduado (Matos Fernandes, 2006) a cimentação é mais eficiente e, por isso, o valor de c necessário para assegurar a estabilização é mais baixo do que numa areia uniforme. Relativamente à qualidade do cimento, Ismail et al. (2002, 2004) realizam o estudo da influência de diversos tipos de ligante s hidráulicos no comportamento dinâmico de uma areia carbonatada. Os resultados ( vide Quadro 2.7), expressos em velocidade das ondas de corte ( V S ) e módulo de distorção dinâmico ( G 0 ), mostram o ganho de propried ades conferido por cada um dos cimentos. Quadro 2.7 – Resultados de V S e G 0 par a cada um dos tipos de ciment o (Ismail et al., 200 4). Tipo  de  cime nto  V S  (m/s)  G 0  (MPa) Calcite  (CIPS) 812,9  1031  Cimento  Portland  6% 908,7  1189  Epoxy  5% 829,9  1074  Gypsum  12% 728,7  828  Sem  cimento 467,7  315  Capítulo 2. Estado da arte 27 2.2.7.2 Trinómio água, cimento e índice de vazios O teor em cimento ( c ) é determinante no comportamento mecânico do solo-cimento [Huang & Airey (1993), Zhu et al. (1995), Schnaid et al. (2001), Rios (2011)]. Foppa (2005) realiza uma bateria de ensaios de compressão uniaxial, em provetes de solo-cimento, concluindo que a resistência à compressão uniaxial aumenta linear mente com o aumento do teor de cimento para um dado índice de vazios ( vide Figura 2.7). Figura 2.7 – Variação da resistência à compressão uniaxial em funçã o do teor em cimento (adaptado de Fop pa, 2005). Os resultados de Schnaid et al. (2001) ( vide Figura 2.8), por outro lado, sugerem a existência de um estado último de resistência, onde a tensão de desvio ( q ), definida conforme se segue, mantém-se constante e independente da quantidade de cimento. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 28 Figura 2.8 – R esposta ten são-deformaç ão para dife rentes te ores em ciment o (adapt ado de Sc hnaid et al., 2 001).      (2.9) . em que: σ 1 é a tensão efetiva vertical; σ 3 é a tensão efetiva horizontal. A água é um composto muito importante na hidratação do cimento, apresentando como principais característica s a capacidade de melhorar a trabalhabilidade do so lo-cimento e de facilitar a sua compactação, sendo que a quantidade de água presente na mistura influencia substancialmente a resistência da mesma (Amaral, 2009 ). Segundo Gomes Correia et al. (2002), o w correspondente à massa volúmica aparente máxima da mistura não corresponde à máxima resis tência. Felt (1955) estuda o efeito da variação de w sobre a resistência de solos arenosos, silt osos e argilosos através de ensaios de durabilidade e compressão uniaxial. Verifica que as amostras de argila e silte, compactadas com w abaixo do ótimo, apresentam elevadas perdas de massa nos ensaios de durabilidade. Já no caso de humidades acima do w opt , a perda de massa é pouco significativa. Felt (1955) verifica ainda qu e a maior ef icácia das ligações cimento-solo, n o caso das areias, é obtida através da compactação da mistura ligeiramente abaixo de w opt . No caso dos siltes e argilas, pela compactação da mistura com um w 1% a 2% su perior ao w opt determinado no ensaio Proctor. Capítulo 2. Estado da arte 29 Foppa (2005) também analisa o efeito da varia ç ão de w em q u de solos cimentados ( vide Figura 2.9), tendo verificado um aumento na resistência até w opt , a partir do qual a resistência diminui. À semelhança de Felt (1955), Foppa (2005) verifica também que w opt não se altera de acordo com a variação de c . Figura 2.9 – Efeit o de w em q u no solo-ciment o (adapt ado de Foppa, 2 005). Consoli et al. (2005) apresentam uma justificação para os resultados de Foppa (2005): A compactação em teore s em água abaixo do ó timo apresenta, possivelmente, uma estrutura mais floculada para teores acima desse valor… Outros autores [e.g. Coop & Atkinson (1993), Khan et al. (2006), Consoli et al. (2009)] entendem que a relação água-cimento é também influenciada pela qua ntidade de finos presentes no solo. Com intuito de normalizar esta relação, removem a percentagem de finos equivalente ao teor em cimento a adicionar. Este é um procedimento comum no Laboratório de Geotecnia da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (LabGeo) [ vide Rios Silva et al. (2009 ), Amaral (2009), Amaral & Viana da Fonseca (2010), Amaral et al. (2010) Amaral et al. (2011a, 2011b), Rios (2011), Amaral et al. (2012a, 2012b)] e seguido na present e investigação. O índice de vazios ( e ) das misturas de so lo-cimento é também u m parâmetro muito relevante (Rios, 2011). É de salientar que e é confer ido no processo de compactação e é anterior ao desenvolvimento da cura do cimento. Felt (1955), tal como citado por Foppa (2005), concluiu que o aumento do e gera uma diminuição de q u . Estes result ados vão de encontro às propostas de Consoli et al. (2007) que justificam o acontecimento através da diminuição de contacto interpartículas para provetes de igual c ( vide Figura 2.10). Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 36 dos solos single fluid . No entanto, é observado por diversos investigadores [e.g. Alonso et al. (1990), Fredlund & Rahardjo (1993), Wheeler & Sivakumar (1995)] que, para além do estado saturado ou seco, existe uma outra condição que desempenha um papel preponderante no comportamento dos solos e que deve ser contabilizada n o exercício da Engenharia Geotécnica. O solo que possui uma pressão neutra ( u ) negativa e cujo w é inferior ao da condição saturada [grau de saturação ( S ) = 1], e superior ao estado seco do solo ( S =0), é designado por solo não saturado e é estudado pela mecâ nica dos solos multi fluid ( vide Figura 2.13). Alonso et al. (1990) provam que esta condição não só existe como afeta de forma não negligenciável o comportamento do solo. Figura 2.13 – Desenvolv iment o de excess os de press ão neutra ne gativ os com o rebai xament o no nível fre ático (adaptad o de Fred lund & Ra hardjo, 19 93). Os números da Figura 2.13 representam intervalos temporais do caminho da condição saturada até à condição não saturada. 2.3.2 Propriedades de fase do solo não saturado Um elemento de solo é um sistema multifásico que é constituído por ( vide Figura 2.1 4):  Sólidos (partículas de solo);  Líquidos (água);  Gases (ar). Capítulo 2. Estado da arte 37 Os vazios existentes na massa do solo são considerados como um meio onde existe uma combinação entre fases líquidas e gasosas (Ng & Chiu, 2003). A fase dos solos não saturados permanece entre as fases líquida e saturada (0 < S < 1) e os seus vazios estão parcialmente preenchidos por água e por ar. Quando o solo caminha da condição saturada (Figura 2.14 c) para o estado seco (Figura 2.14a) passa obrigatoriamente pela condição não saturada (Figura 2.14b). O solo é considerado seco quando uma pequena amostra de água livre permanece na superfície de partículas isoladas. Foi observado por Fredlund & Rahardjo (1993) que solos completame nte secos na natureza representam uma exceção. a) b) c) Figura 2.14 – Propried ades de fase do solo: a) seco; b) não satura do; c) saturado. A mecânica dos solos não saturados clássica considera que o solo não saturado é um sistema de três fases: sólido, líquido e gasoso. Na aproximação citada, a interface entre solo e água, geralmente conhecida por diafragma contrátil ou menisco, é negligenciada. Fredlund & Rahardjo (1993) são dos primeiros a afirma r que o menisco desempenha um papel ativo na mecânica dos solos não saturados. Sugerem a adição de uma nova fase às restantes apresentadas na Figura 2.13. De forma esquemática estão representadas na Figura 2.15 as diferentes fases do solo não saturado em função da teoria aplicada (para o mesmo volume total de geomaterial). Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 38 a) b) Figura 2.15 – Propriedades de fase do solo n ão saturado : a) teoria van guardist a; b) teoria cláss ica. Na realidade, o diafragma contrátil ( vide Figura 2.15a), ou menisco, possui uma grandeza na ordem de poucas camadas moleculares. Com efeito, a sua capacidade de influenciar o volume e massa do solo é negligenciável. 2.3.3 Tensão desenvolvida no menisco Lu & Likos (2004) afirmam que a tensão no menisco (ou tensão de sup erfície) é definida como a máxima energia que um fluido pode armazenar sem que seja posto em causa o equilíbrio do sistema, ou seja, sem que seja aberta ou fechada uma unidade de área nas interfaces da s fases. Na interface gás-líquido, a tensão de supe rfície nasce com o desequilíbrio entre as forças intermoleculares compreendidas na fase líquida. Na inte rface ar-água (i.e. menisco), por exemplo, as moléculas de água localizada s a uma distância finita do menisco não experimentam forças coesivas de igual módulo em todas as direções. Consequentemente, as moléculas próximas da superfície aderem de forma mais re sistente às restantes moléculas que estão diretamente associadas à superfície, ger ando forças não equilibradas que impelem para o interior da fase líquida. Para que o sistema possa permanecer em equilíbrio mecânico, a resultante das forças não equilibradas desenvolve-se ao longo da interface. A Figura 2.16 ilustra o menisco quando este possui uma forma abatida e se modifica para uma forma semicircular para contrabalançar as forças não equilibradas, promovendo o aparecimento da tensão de superfície. Por outro lado, a tensão de superfície faz com que o menisco se comporte como uma me mbrana elástica (Lu & Likos, 2004). A tensão de superfície é na realidade a resultante do esforço distribuíd o não só no Capítulo 2. Estado da arte 39 menisco, como também em pequenos incrementos de profundidade (interior da fase líquida) abaixo da membrana. a) b) c) Figura 2.16 – Fenómeno da tensão de su perfície: a) For ças intermolec ulares na interf ace ar-água; b) Equilíb rio das forças que at uam num diafr agma contráti l de duas dim ensões (Fr edlund & Ra hardjo, 19 93); c) distrib uição de pressão co m a profundi dade e res ultant e ( T S ). (Lu & Likos, 20 04). Aplicando o equilíbrio de forças na direção vertical no modelo do diafragma contrátil ( vide Figura 2.16b) é obtido: 2  sin   2    sin  (2.21) .       (2.22) . em que: R S é o raio de curvatura; β é o ângulo indicado na Figura 2.16 b. A Eq. (2.22) mostra que quanto maior for a diferença de pressão no menisco menor é o raio de curvatura da membrana. Segundo Lu & Likos (2004), a tensão de superfície pode ser obtida através da seguinte equação:    󰇛    󰇜     (2.23) . em que: σ é a tensão total na fase líquida; d c é a espessura da camada de fronteira; u w é a pressão da água. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 40 Lu & Likos (2004) afirmam também que a espessura da camada de fronteira ( d c ) num sistema ar-água é cerca de 10 moléculas de água. Com efeito, a espessura do diafragma contrátil pode ser negligenciada nos cálculos de T S . O sistema de 2 dimensões pode ser expandid o para obter um modelo em 3 dimensões ( vide Figura 2.17), onde os excessos de p ressão neutra ( Δ u ) podem ser escritos por:      1    1    (2.24) . em que: R 1 e R 2 são o raio de curvatura em 2 eixos ortogonais. Quando R 1 = R 2 = R S , a Eq. (2.24) pode ser reduzida a:   2     (2.25) . Figura 2.17 – Tensão de superfíci e num diafragma c ontrátil de 3 dime nsões (Fredlun d & Rahardjo, 19 93). A pressão de ar ( u a ) que atua no menisco de um solo não saturado é maior do que a pressão de água ( u w ). É por esta razão que o diafragma, apresentado na Figura 2.17, possui um aspeto côncavo. Da Figura 2.16 retira-se: Capítulo 2. Estado da arte 41        (2.26) . Substituindo Δ u na Eq. (2.25) obtém-se:     2     (2.27) . A diferença de pressão ao longo do diafragma contrátil ( u a - u w ) é referida na literatura como sucção matricial. A Eq. (2.27) é referida como a equação de capilaridade de Kelvin. 2.3.4 Conceito de tensão efetiva aplicada ao solo não saturado Como fundador da mecânica dos solos não saturados, Karl Terzaghi desenvolveu o conceito de tensão efetiva para definir o estado de tensão num solo sat urado. Esta proposta foi amplamente aceite, uma vez que se mostrou capaz de defin ir os parâmetros de tensão dos solos saturados. Lambe & Whitman (1969) definem tensão efetiva como a força suportada pelo esqueleto do solo dividida pela área total da superfície. Terzaghi (1 943) afirma que todos os efeitos mensuráveis numa mud ança de esforço ou resistência se devem a alterações na tensão efetiva ( σ ’ ).  󰆒     (2.28) . Bishop (1959) desenvolve um conceito que estende o prin cípio da tensão efetiva para os solos não saturados. O autor propõe uma expressão para cálculo de σ ’ para o estado não saturado, que se torna uma referência na geotecnia.  󰆒  󰇛    󰇜   󰇛     󰇜 (2.29) . em que:  é o parâmetro de sucção de Bishop. O autor procurou estabelecer valores tipológ icos para  propondo o valor de zero para o estad o seco e 1 para o estado saturado. Quando  =1 a Eq. (2.29) reduz-se para a Eq. (2.28) que consiste na expressão inicial apresentada por Terzaghi (1943). De forma a validar o parâmetro  , Bishop (1960) e Bishop & Henkel (1962) realizam, no Imperial College em Londres, um conjunto de ensaio triaxiais em condições sa turadas e não saturadas. Os resultados expressos em comportamento monotónico, apresentados na Figura 2.18, revelam o carácter independent e desta variável do estado de tensão. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 42 a) b) Figura 2.18 – Resultado s experim entais que ilu stram a dep endência de  com o grau de s aturação: a) silt e sem coesão (Donal d, 1956); b) solos rem oldados (Blight, 1965). Vanapalli & Fredlund (2000) expressam  em termos de saturação efetiva e teor em água volumétrico efetivo:      1          (2.30) . em que: S r é o grau de saturação residua l e correspondente ao S de uma pequena amostra de água não drenada que permanece na superfície de partícula s de solo isoladas; θ é o teor em água volumétrico ( V w / V s,s ) θ s é o teor em água volumétrico saturado; θ r é o teor em água volumétrico residual calculado para a mesma condição de S r . Vanapalli & Fredlund (2000) não são os únicos autores que propõem aproximações ao parâmetro de Bishop. Inúmeras propostas teóric as, empíricas e experimentais têm o seu lugar na literatura. Entre as mesmas destaca-se a for ma simples de extensão da envolve nte de rotura do critério Mohr-Coulomb para solos não satu rados. Introduzindo a Eq. (2.29) na equação de Mohr-Coulomb, de seguida apresentada, é obtido: Capítulo 2. Estado da arte 43   󰆒  󰆒 tan 󰇛 ′ 󰇜 (2.31) .    󰆒  󰇟󰇛   󰇜   󰇛     󰇜󰇠 tan 󰇛 ′ 󰇜 (2.32) . em que:  ’ é o ângulo de atrito do solo; c' é a coesão do solo associada à componente estrut ural do solo, i.e., em condições saturadas. Utilizando a combinação mais simples de variáveis de estado de tensão e estendendo-as para o caso do solo não saturado, a envolvente de rotu ra Mohr-Co ulomb pode ser expressa por:    󰆒  󰇛   󰇜 tan 󰇛  󰆒 󰇜  󰇛     󰇜 tan 󰇛   󰇜 (2.33) . em que:  b é o incremento de resistência ao corte devido ao aumento de sucção matricial. A Figura 2.19 ilustra a envolvente de rotura de Mohr-Coulomb para solos não saturados de acordo com a Eq.(2.33). Figura 2.19 – Envolvente de rotura M ohr-Coulom b estendi da para so los nã o saturado s (adapt ado de Fredlund & Rahardj o, 1993). Assumindo a correta descrição das Eqs. (2.32) e (2.33) para o estado não saturado do solo, as tensões de corte calculadas através de ambas as equações apresentam o mesmo resultado. Como consequência obtém-se: Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 44 tan 󰇛   󰇜   tan 󰇛  󰆒 󰇜 (2.34) . sendo a este valor acre scentado um ganho de intercepto coesivo co m a sucção matricial ( u a - u w ). Através dos ensaios realizados, Fredlund & Rahardjo (19 93) verificam a seguinte relação para diferentes tipos de solo:    ′ (2.35) . Em provetes ensaiados para distintos w , Vanapalli et al. (1996) constatam que não são verificadas relações entre a su cção e a resistência ao corte lineares. Devido a esta n ão linearidade, um único valor de  b não é suficiente para descrever a envolvente de rotura para solos não saturados. A Figura 2.20 ilustra a envolvente de Mohr-Coulomb modi ficada mas explicativa das questões de não linearidade. Figura 2.20 – Envolvente de rotura M ohr-Coulom b estendi da que co ntabiliza os efeito s de não lin earida de (ada ptado de Lu, 2008). 2.3.5 Curva característica do solo-água (SWCC) o u curva de retenção A curva característica do solo-água (SWCC) corresponde à relação ent re o teor em água ( w ) e a sucção do solo. Lu & Likos (2004) afirmam que SWCC é u ma relação constitutiva fundamental Capítulo 2. Estado da arte 45 na mecânica dos solos não saturados. Como a curva característica do solo-água ilustra o comportamento de retenção de água pelo solo, é por vezes apelidada n a literatura como curva de retenção, curva de pressão capila r ou, simplificadamente, curva de sucção. A SWCC é geralmente desenhada num gráfico de escala semi-logarítmica onde os valores de w são mantidos em escala linear e os da sucção e m escala logarítmica. A quantidade de água no solo pode ser expressa por w mas também pelo teor em água volumétrico ( θ ) para obtenção da SWCC. Enquanto w (teor em água gravimétrico) é utilizado em Engenharia Geotécnica, θ é utilizado pelas ciências do solo (Fr edlund & Xing, 1994). A Figura 2.21 é uma representação tipificada da S WCC de uma areia limpa. Figura 2.21 – Curva caract erística do solo -água (ada ptado de Lins et al., 2009). A relação entre θ , w e o grau de saturação ( S ) é definida por :  󰇛 1 󰇜      (2.36) . em que: G s é a densidade das partículas sólid as. Pela análise da Eq. (2.36) evidencia-se que, para um índice de vazios constante, θ é diretamente proporcional a S e w . Salientam-se ainda as principais caract erísticas da SWCC:  Desempenha um papel importante no comportamento hidro mecânico do solo; Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 52 Figura 2.23 – Superfície de rotura do modelo LC para estado de tensão tridimensiona l (Alonso et al., 1990). 2 2 . . 4 4 S S o o l l o o s s c c i i m m e e n n t t a a d d o o s s n n ã ã o o s s a a t t u u r r a a d d o o s s 2.4.1 Principais características Em zonas tropicais, áridas, semiárid as e medi terrânicas encontram-se frequentemente solos em estado não saturado que contêm uma mensurável cimentação natura l. O grau de saturação está condicionado pelas variações estacionárias do clima, enquanto a cimentação é normalmente uma característica herdada da rocha- mãe, processos naturais ou artificiais. Nestas condições, encontram-se numerosos substratos de solos carbonatados, residuais e cimentados artificialmente, sendo os primei ros uma formação típica das zonas geográficas mediterrânicas. A saturação e a cimentação são aspetos que podem apresentar um carácter do minante no comportamento mecânico do solo (Carvalho, 2002) e, em alguns casos, determinar elevados incrementos de resistência. Nas ú ltimas duas décadas foram obtidos grandes avanços no estudo e modelação das supracitadas condici onantes. Nã o obstante, de uma forma geral, a saturação e cimentação têm vindo a ser estudadas de uma forma separada. Este fato limita o estudo dos solos cimentados não saturados e, noutros casos, pode levar a conclusões pouco idóneas devido à sobreposição de efeitos. Alonso & Gens (1993), baseados nos resultados experimentais existentes para solos cimentados e solos não saturad os, apresen tam um modelo para solos cimentados não Capítulo 2. Estado da arte 53 saturados. Leroueil & Barbosa (2000) apresentam resultados edo métricos, com taxa d e deformação constante, que validam algumas previsões do modelo de Alonso & Gens (1993). 2.4.2 Comportamento e modelo para solos cimentados não saturados Nos solos cimentados, a cimentação existente entre as partículas sólidas prop orciona uma coesão ( c’ ) real do material. Este intercepto, natural ou artificia l, diminui gradualmente com o incremento de tensões ou deformações devido à degradação das liga ções entre as partículas. Para este tipo de geomaterial observa-se uma rotura frágil, de fácil iden tificação e bem delineada [especialmente em condições de baixo confinamento (Carvalho, 2002)]. Por outro lado, em solos não saturados, a sucção desempenha um papel análogo ao da cimentação, incrementando a coesão do solo. Apesar das diferenças bem demarcadas em ambos os interceptos coesivos, geralmente observa-se uma cedência frágil em solos não sat urados, onde a sucção representa um a variá vel de tensões independente não af etada pelo processo de deformação (Cardoso & Maranha das Neves, 2011). Estas características são também observadas nos solos cimentados. Alonso & Gens (1993), cientes das condições supra descritas, propõem um modelo, idêntico ao BBM, para solos estruturados não saturados. As pressões de pré-consolidação do material desestruturado, para condições sat uradas e não saturadas ( p 0 * e p 0 ), pertencem à superfície de cedência LC u ( vide Figura 2.24). A linha LC u representa um incremento de coesão a parti r de um valor de sucção nulo ( s =0kPa). Os incrementos aparentes nas tensões de pré-consolidação e coesão, induzidos por s , são dados por Δ p s e Δ p s s = p s , respet ivamente. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 54 Figura 2.24 – Proposta de mec anismo d e rotura, em condiç ões isotró picas, para um s olo ciment ado nã o saturado (Alonso & Gen s, 1993). O efeito da cimentação é representado por uma ampliação da superfície de cedência em relação ao estado desestruturado, de acordo com os pressupostos do modelo proposto por Gens & Nova (1993): Em solos saturados, a cim entação aumenta as pressões de pré- consolidação aparentes ( p* co ). Alonso & Gens (1993) propõem dois mecani smos que podem contribuir para aumentar a pressão de pré-consolidação de materiais cimentados com a sucção:  Um incremento do efeito da cimentação com o incremento da sucção ( Δ p b co ) formando uma nova superfície de cedência (LC bs );  O efeito capilar, em que aumento de sucção conduz a um aumento da resistência das uniões cimentadas entre as partículas; Este efeito é indicado pelo incremento Δ p b co para uma dada sucção que, por sua vez, gera uma superfície de cedência final (LC b ) para material cimentado; O efeito capilar puro sobre solos cimentados ( Δ p s co ) é indicado pela trama da Figura 2.24. Gens & Nova (1993) postulam que o efeito capilar em solos cimentados não é da mesma intensidade que o efeito capilar para solos desestruturados ( Δ p s co < Δ p s ), uma vez que o agente cimentício tende a ocupar a posição dos conta ctos entre as partículas, impossibilitando que as curvaturas dos meniscos encontrem valores admissíveis no ponto de contacto ideal. Por outro lado, as pontes cimentícias têm arranjo particular próprio e f ábrica própria também. Capítulo 2. Estado da arte 55 Alonso & Gens (1993) estendem a relação entre p* co e p* 0 para condições não saturadas. Os autores modificam a formulação do parâmetro de cimentação b , proposto por Gens & Nova (1993), para:      󰇛    󰇜 (2.47) .       󰇛 1  󰇜 (2.48) . em que: b u e b 0 são parâmetros dimensionai s que contabilizam o efeito da cimentação em condição não saturada e saturada, r espetivamente. Ficando a pressão de pré-consolidação isotrópica, para uma dada sucção num material cimentado, definida como:     ∗ 󰇛 1 󰇜 (2.49) . Alonso & Gens (1993) comentam que uma contribuição adicional, Δ p s co , deve ser a dicionada a p co incorporando o efeit o capilar mencionado anteriormente. Na Figura 2.25 está a representação qualitativa da superfície de rotura no plano p vs. q do modelo Cam-Clay modificado, implementado por Alonso & Gens (1993). Constatam-se diferenças substanciais nas elipses para a condição saturada e não saturada para os casos cimentado e desestruturado. Na condição saturada, a ampliação da superfície de cedência é definida por dois parâmetros:  A pressão de pré-consolidação aparente do material cimentado em condição saturada ( p* co );  A resistência de tração isotrópica em condição saturada ( p* t ). Para a condição não saturada, os parâmetros que definem o tamanho da superfície de cedência cimentada são p t e p co . Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 56 a) b) Figura 2.25 – Superfícies de rotu ra no pl ano p’ , q : a) solos sat urados; b) solos nã o saturados. (adapta do de Alonso & Gens, 1993). Os resultados obtidos por Leroueil & Barbosa (2000) com ensaios edométricos a velocidade de deformação constante e c =2% e stão apresentados na Figura 2.26. O s autores observam um incremento geral da pressão de pré-consolida ção do material cimentado face ao material não cimentado. As curvas LC obtidas para as condições cimentadas e não cimentadas ( vide Figura 2.26) confirmam as previsões de Alonso & Gens (1993), no que se refere ao incremento da pressão de pré-consolidação devido ao efeito capilar ( Δ p s co ) para uma mesma condição inicia l de e . Leroueil & Barbosa (2000) af irmam ainda que o efeito capilar mencionado por Alonso & Gens (1993) pode estar influenciado por uma dif erente distribuição de água nos con tactos entre as partículas ou pela diferença de estrutura entr e os solos cimentados desestruturados. Capítulo 2. Estado da arte 57 Figura 2.26 – Curvas de pr essão de pré-cons olidaç ão de um so lo residu al para pr ovetes cime ntados e nã o cimentados (ada ptado de Lerouei l & Barbos a, 2000). 2 2 . . 5 5 C C o o m m p p o o r r t t a a m m e e n n t t o o d d i i n n â â m m i i c c o o - - e e l l á á s s t t i i c c o o d d o o s s s s o o l l o o s s 2.5.1 Ondas elásticas de baixa energia 2.5.1.1 Características fundamentais da propagação de ondas A propagação de uma qualquer perturbação através de um qualquer meio é um fenómeno be m conhecido e pertence à categoria daqueles que são observados por qualquer pessoa, independentemente da sua formação. Entre as manifestações mais comuns desse fenómeno destacam-se a transmissão do som através do ar ou a propagação de ondas num qualquer meio de um grau de liberdade (e.g. água) após uma perturbação. A propagação de ondas num meio sólido difer e da que se verifica num fluido. Em ambos os meios, o movimento das partículas verifica-se na mesma direção que o movimento da onda. No entanto, no caso da propagação num meio sólido, verifica-se que este poderá transmitir reação de corte, tornando-se o movimento das partículas transversal ao movimento da onda. A propagação de ondas através de sólidos ou fluidos não é contínua p ois acabam sempre por interagir com fronteiras ou limites. No caso de um meio sólido, uma simples onda, seja ela de compressão ou de corte, produz uma onda de compressão e uma outra onda de corte cada vez que encontra um limite, o que não ocorre no caso dos meios fluidos. A contínua reflexão e propagação de ondas num sólido limitado produz o equilíbrio estático do sólido (Graff, 1991). A propagação de ondas em sólidos poderá ser descrita de acordo com três categorias: Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 58  Ondas elásticas, em que as deformações nos materiais ocorrem de acordo com a Lei de Hooke;  Ondas viscoelásticas, onde ocorrem deformações visco sas e elásticas normalmente associadas a meios dispersivos qu e impedem uma propagação de ondas linear;  Ondas plásticas, onde o limite de deformação elástica dos materiais é ex cedido. Existem inúmeros fatores que afetam o comportamento sísmico dos materiais e onde a análise matemática dos fenómenos de propagação pode revestir-se de grande complexidade. Muitos desses fatores saem do âmbito da Engenhar ia, permanecendo alguns deles em campos doutrinários da Física. Um levanta mento didático desses fatores foi realizado por Graff (1991) e resumido por Amaral (2009). 2.5.1.2 Ondas primárias, P As ondas primárias (ig ualmente designadas por ondas de compressão ou, sinteticamente, ondas P) apresentam a velocidade de propagação de onda sísmica mais elevada. Distinguem - se das demais pela propagação num meio de movi mentos de compressão e extensão, que obedecem a uma direção longitudinal, semelhante à expansão das ondas sonoras no ar. Provocam dilatações e compressões da integralidade da massa numa direção, não originando rotação, o que permite concluir, se gundo Elmore & Heald (1969), que estas ondas são dotadas de apenas um grau de liberdade. É mister referir que as ondas de tensão e deformação se propagam a velocidades determinadas, para todas as direçõ es, tendo por base um ponto num meio elástico. Segundo Richart et al. (1970) – aplicando a teoria da propagação de onda linear – M 0 e ρ regem a velocidade das ondas de compressão ( V P ) pela seguinte expressão:        (2.50) . em que: M 0 é do módulo confinado dinâmico. A medição da velocidade de propagação das ondas P é um ensaio normalizado pela ASTM (2008), apelidado de ensaio Pulse-velocity . Capítulo 2. Estado da arte 59 2.5.1.3 Ondas secundárias, transversais ou de corte, S No que concerne às ondas secundárias (igualmente designadas por ondas transversais, ou, sinteticamente, ondas S), as partículas movi mentam-se numa direção perpendicular ao sentido de propagação da onda, através de três tipos de movimen to, classificados tendo em conta a sua direção de propaga ção e polarização. Neste sentido, as ondas secundárias su bdividem-se em ondas que se propagam na direção vertical horizontalmente polarizadas (designadas S VH ), direção horizontal verticalmente polarizadas (apelidadas de S HV ) e ondas que se propagam na direção horizontal horizontalmente polarizadas (apelidadas de S HH ), o que lhes confere dois graus de liberdade, sem prejuízo de um vetor comum assente na propagação por meio de movimentos meramente distorcionais, sem qualquer variação de volume. Segundo Richart et al. (1970), a velocidade das ondas secundárias ( V S ) é governada pelo módulo de distorção dinâmico ( G 0 ) e massa volúmica ( ρ ) do meio de propagação, através seguinte expressão (ASTM, 2008):        (2.51) . V S e V P tal com M 0 e G 0 estão relacionados através coeficiente de Poisson dinâmico ( υ 0 ) pela s seguintes equações:     󰇛 12  󰇜 2 󰇛 1  󰇜 (2.52) .        󰇛 12  󰇜 2 󰇛 1  󰇜 (2.53) . 2.5.1.4 Outros tipos de ondas Existe um outro tipo de onda sísmica de compressão que Graff (1991) apelidou de onda longitudinal. A diferença face às ond as P reside no movi mento uniforme das partículas ao longo da totalidade da secção transversal da peça. Segundo Amaral (2009), Khan et al. (2011) e Amaral et al. (2011a), este tipo de propagação acontece quando o comprimento da onda de excitação é da mesma ordem de grandeza ou inferior às dimensões geométricas do meio de propagação. Khan et al. (2011) apresenta ainda um critério empírico para distinguir ambos os tipos de propagação. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 60 Segundo Graff (1991), o módulo de elasticidade dinâmico ( E 0 ) e ρ governam a velocidade das ondas longitudinais ( V L ) através da seguinte equ ação:        (2.54) . E 0 e V L estão relacionados com os restantes parâmetros dinâmicos supracitados atr avés de υ 0 pelas seguintes equações:     1 2 󰇛 1  󰇜 (2.55) .      󰇛1    󰇜 󰇛 1  󰇜 󰇛1  2   󰇜 (2.56) . Resulta das investigações de Timoshenko & Goodier (1970) a plausibilidade de outras velocidades de propagação, das quais poder ão advir ondas superficiais, coadjuvadas por movimentos sobretudo adstritos a uma estreita camada à superfície. Com efeito, para além da divisão tipológica entre ondas S, P e L, considera-se nece ssário trazer à colação a distinção entre ondas Love e Rayleigh. Neste sentido, as ondas Love definem-se pel a efetivação de um devir de partículas apenas horizontal e perpendicular ao sentido de propagação da on da. Onda essa que unicamente se propaga num meio circunscrito, na sua parte cimeira, pela discrepância solo-ar. Por outro lad o, a deteção das ondas Rayleigh (R) resultou da junção das equações das ondas de P e S, ao que se determina a velocidade da onda Rayleigh ( V R ), com base na onda transversal, articulada com υ 0 . A onda R descreve um trajetória elíptica retrógrada no pla no vertical, paralela à propagação da onda e idêntica à pro sseguida pelas ondas marítimas ( vide Figura 2.27). Capítulo 2. Estado da arte 61 a) b) Figura 2.27 – Esquema de propa gação das on das superf iciais: a) Ray leigh; b) Lo ve. (Ferreira, 2003). Da caracterização das ondas superficiais igualm ente se retiram conclusões no se ntido de dar como adquirida a índole bidimensional destas ondas, porquanto decorrente do corte estrutural acima representado. Natureza bidimensional que permite a este tipo de ondas adquirir uma preponderância crescente e gradativa. 2.5.2 Metodologias de análise de sinal A teoria dos métodos geofísico s divide o tratamento do sinal em dois grandes gr upos infra explicados. A metodologia baseada no domínio do tempo possui a vantagem da simplicidade demonstrando-se, no entanto, menos competente nas análises sísmicas mais complexas. Para proceder à quantificação, através da medição, da totalidade dos parâmetros dinâmicos é necessário o recurso à análise no domínio das frequências / análise espectral. 2.5.2.1 Domínio do tempo O estudo das propriedades de um sólido é habitualmente conduzido através da utiliza ção de um transdutor, que transforma um sinal elétrico num sinal mecânico que é induzido num determinado sólido. Após um determinado período de tempo, correspondente ao intervalo de percurso da onda no sólido regista-se este sinal, através de outro transdutor. Com este procedimento, obtêm-se diferentes intervalos de tempo, permitindo o estudo das propriedades do sólido e dos materiais que o compõem. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 68      2  2  2    ⇔   󰇡     󰇢  2 2󰇡     󰇢  2 (2.62) .         10    9       4  ⇔    9 󰇡     󰇢   10 󰇡     󰇢  1󰇡     󰇢  1 4󰇡     󰇢  (2.63) . ν 0 é um parâmetro dinâmico muito sensível e não raras vezes, durante a medição das onda s sísmicas, apresenta valores impro váveis (Amaral, 2009). Este é um claro sinal de que as condições de afinação devem ser modificadas e o ensaio repetido. Por outro lado, existem parâmetros dinâmicos de determinação bastante mais complexa. Para determinar f k ou ξ k é necessário recorrer ao conjunto dos números imaginários. U m transdutor ultrassónico é caracterizado pela sua frequên cia nominal e pela gama de frequências de resposta (Tallavó et al., 2011). A frequência nominal, que define a capacidade de detetar pequenas descontinuidades, depende da espessura do cristal piezoe létrico constituinte. Por outro lado, a gama de frequências de resposta depende do seu coeficiente de amortecimento. Transdutores com um elevado coeficiente de amortecimento são sensíveis a uma maior gama de frequências em torno da frequência nominal, embora c om menor amplitude de resposta. Geram impulsos de menor suporte e por isso permitem uma melhor resolução (Tallavó et al., 2011). A frequência nominal e as frequências de resposta são dadas por X( ω ) . A Função Resposta de Frequência (FRF) é uma representação matemática, em termos espectrais, qu e relaciona o sinal de entrada e de saída para um dado intervalo de tempo e é dada pela seguinte e quação:    󰇛  󰇜  󰇛  󰇜 (2.64) . Quando a FRF caracteriza um único material, segundo a resposta a um impulso unitário (impulso de Dirac), pode ser ape lidada de função transferência (TF). A FRF possui uma componente numérica real (conhecida como o módulo) e de uma componente imaginária (também conhecida como fase). A sua represen tação gráfica consegue-se através do desenho Capítulo 2. Estado da arte 69 da parte real. A Figura 2.31 apresenta um exem plo de uma função transferência e respetivas f k determinadas pela abcissa dos picos da função. Figura 2.31 – Exemplo de uma funçã o transferên cia e identif icação d as frequênci as de ressonâ ncia. ξ k é calculado a partir da TF recorrendo ao método half power bandwidth [Kramer (1996), Kolsky (1953)] pela expressão:              (2.65) . em que: f 1 é a frequência baixa encontrada a uma magnit ude de (½) 0.5 abaixo do pico; f 2 é a frequência alta encontrada a u ma magnitu de de (½) 0.5 abaixo do pico. 2.5.5 Fatores que influenciam o comportamento dinâmico dos solos De acordo com Tatsuoka e Shibuya (1992), o termo dinâmico refere-se não somente às propriedades derivadas de ensaio, mas também às condições de carregamento. É a frequência de excitação que faz com que a inércia se verifique ou não. A natureza dinâmica e estática distinguem-se pelo efeito de inércia. Investigadores recentes revelam que, embora pouco expressivas, existem de facto deformações muito pequenas quando aplicadas variações, também pequenas, de tensão. Conclui-se portanto que é legít imo considerar elásticos os parâmetros, tendo em conta que os mesmos permanecem inalterados com a velocidade de deformação ou a frequência de excitação, perspetivando a teoria aplicada sob o ponto de vista de Engenharia. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 70 O estudo exaustivo dos fatores que influenciam o comportamento dinâmico dos solos não é do âmbito desta investigação. No entanto, Barros (1997) realiza um levant amento importante sobre o tema. O Quadro 2.9 apresenta os parâmetros que afetam o módulo de distorção dinâmico dos solos, classificando-os a nível qualitativo. Quadro 2.9 – Fatores que influe nciam o comport amento di nâmic o dos solos e r espetiva cl assificaçã o (adapt ado de Barros, 19 97). Sendo G 0 o parâmetro dinâmico menos afetado pelos age ntes externos (Cunny & Fry,1973), é legítimo consagrar que as restantes propriedades dinâmicas (e.g. M 0 e E 0 ) também são afetadas pelos efeitos listados no Quadro 2.9. De acordo com Santamarina et al. (2001), a signif icância relativa de cada um dos efeito s apresentados no Quadro 2.9 varia consoante o grau de saturação. Para solos saturados, o parâmetro de controlo comportamental é o módulo de deformabilidade volumétrico ( K 0 ) dos vazios totalmente preenchidos por água ( K w ) (Galaa et al., 2011). No caso não sa turado, K 0 é influenciado por uma combinação do módulo de deformabilidade volumétrico do esqueleto sólido ( K sk ), K w , e módulo de deformabilidade volumétrico do ar ( K a ). As constantes de elasticidade referidas são responsáv eis pelas variações de K 0 e, consequentemente, variações na medição V P para diferentes níveis de saturação. Considerando K w e K a 2,18GPa e 142kPa, Nível  de  Importânc ia  Fator  Muito  Importante  Tensão  principal  efetiva  na  direção  da  propagação  de  onda  Tensão  principal  efetiva  na  direção  da  vibração  da  partícula  Índice  de  vazios  Grau  de  saturação  (particularmente  em  argilas  e  silte s  Grau  de  cimentação  (natural  ou  artificial)  Importante  Grau  de  sobreconsolidação  (apenas  em  argilas  plásticas)  Tempo  (apen as  em  argilas)  Carregamento  cíclico  anterior  Teor  de  partículas  finas  em  areias  Menos  Importan te  Tensão  de  corte  está tica  Sobreconsolidação  sob  tensões  anisotrópicas  em  areias  Forma  dos  grãos  em  areias  Frequência  (a penas  em  argilas)  Relativamente  não  importante  Temperatura  Tamanho  dos  grãos,  distribuição  granulométri ca  Tipo  de  vibração  Condição  de  drenagem  Capítulo 2. Estado da arte 71 respetivamente, é possível determinar uma ta xa de variações de K 0 a partir da alteração percentual da quantidade de ar no in terior de um solo. À medida que o grau de saturação decresce, o comportamento dinâmico do solo passa a ser controlado maioritariamente por K sk . Com efeito, as forças capilares resultantes do processo de secagem são refletidas pela velocid ade das ondas P. Kokusho (2000), Tsukamuto et al. (2002), Yang (2002) e Fratta et al. (2005) observam estas dependê ncias de V P com S . Em contraste com as ondas P, as ondas S pr opagam-se exclusivamente no esqueleto sólido e são menos afetadas pelo fluido presente nos vazios. Com efeito, V S é um bom indicador da rigidez ao corte do esqueleto sólido, onde o efeito do grau de saturação se manifesta maioritariamente pelo aumento das forças capilares nos co ntactos das partículas. Um aumento de V S com o decremento de S devido às forças capilares é exemplificado em Santamarina et al. (2001). Nos solos cimentados, a presença de ligante introduz um aumento de rigidez dinâmica no esqueleto sólido como consequência de dois mecanismos que influenciam diretamente V S e V P .  O primeiro dos mecanismos é a h idratação do cimento que resulta na formação de novos produtos que preenchem parcialmente os vazios do solo e que criam ligações cimentícias fortes entre o esqueleto.  O segundo mecanismo consiste na secagem imposta pela hidratação do cimento que tem um efeito considerável na rigidez dinâmica do solo-cim ento. Na presença do mecanismo de hidratação, o volume de poros, anteriormente ocupado por um determinado w , passa a ser ocupado por material. À medida que o processo se difer e no tempo , maior volume de água é consumido. Este fenómeno faz com que a interface ar-água mergulhe para dentro do solo-cimento, puxando as partículas sólidas no mesmo sentid o através na tensão no menisco (Kim & Lee, 1 999; Acker, 2004). Diversos autores dedicam o seu tempo estudando o desenvolvimento de sucção ( s ) causado pela secagem de provetes de solo- cimento devido ao processo de hid ratação [e.g., Grabinsky & Simms (2005, 2006), Helinski et al. (2007), Simms & Grabinsky (2009)]. A sucção matricial resultante ( ψ M ) em siltes cimentados é diretamente medida por Grabinsky & Simms (2005) para c =5%, estimando uma taxa de aumento de s de aproximadamente 40kPa/dia. Helinski et al. (2007) observam o fenómeno através da monitorização de BP em provetes instalados em câmara triaxiais. Os mesmos autores observam reduções na ordem dos 800kPa num período inferior a 10 dias. Magnitudes desta ordem de grandeza, de variação da tensão efetiva, implicam um claro aumento das propriedades do solo-cimento e, conseque ntemente, de V P e V S . Como foi já referido Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 72 anteriormente, o efeito das forças capilares deve ser combi nado com o efeito das mudanças no grau de saturação que influencia dra s ticamente V P . 2 2 . . 6 6 C C o o m m p p o o r r t t a a m m e e n n t t o o c c í í c c l l i i c c o o d d o o s s s s o o l l o o s s 2.6.1 Carregamento cíclico O carregamento cíclico é definido, segundo O’Reilly & Brown (1991), como um esforço que possui uma ação repetitiva que inclui modificações que ocorrem no material solicitado em termos de forma, tamanho e energia. Os mesmos autores sugerem que o termo “carregamento cíclico” é como um sistema de forças que exibe um certo padrão de regularidade, quer em magnitude (ou amplitude), como em frequência. Podem ser distinguidos dois tipos de carregamento cíclico. O primeiro é representado por uma baixa amplitude para períodos muito longos que acumulam quantidades pequenas de deformações plásticas ( ε p ) em pequenos incrementos durante cada ciclo. O segundo tipo de carregamento, apelidado de carregamento transiente, forne c e ciclos de grandes amplitudes e m durações de tempo muito curtas, conduzindo a um aumento abrupto de ε p acumuladas. Este último tipo de carregamento consiste num fenómeno que acarreta grandes modificações ao solo (Werkmeister, 2003; Kafle, 2010). O primeiro tipo de carregamento, com muito ba ixas frequências, dá origem ao comportamento cíclico em condições drenadas, enquanto o segundo tipo de carregamento é normalmente observado na ocorrência de sismos e dá origem ao comportamento cíclico em condições não drenadas. Uma das modificações importantes que o carregamento cíclico induz ao solo é a sucessiva acumulação de deformações (Kafle, 2010) e a alteração que essas deformações provocam nas propriedades mecânicas do solo. Quando o solo é atuado por um carr egamento cíclico pode exibir dois comportamentos distintos identificados por Pande (1982):  Aumento progressivo das deformações;  Estabilização em condições de serviço para um certo número de ciclos. A Figura 2.32 ilustra o aspeto de ambos os comportamentos. Capítulo 2. Estado da arte 73 a) b) Figura 2.32 – Exemplos co mportament ais do s olo face ao carr egame nto cíclico: a) au mento pr ogressivo de deformaçõ es; b) estab ilização d as deformaç ões. 2.6.1.1 Deformações permanentes Os solos na natureza estão sujeitos a vários ciclos de cargas e descargas n as condições descritas no Ponto 2.6.1. Como resultado da aplicação do carregamento cíclico, existem dois tipos de deformações: as deformações permanentes e as deformações resilientes ( ε r ) ( vide Figura 2.33). Salienta-se que mesmo para carregamentos de ba ixa amplitude podem surgir deformações permanentes comprometedoras da integridade de um solo através do seu efeito acumulado. O desenho da curva tensão-deformação num solo, com um ciclo de carga e descarga, surge com uma aparência histerética onde pode visual izar-se ambas as deformações citadas. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 74 Figura 2.33 – Curva em forma d e histeres e. Represe ntação das deform ações perm anent es e resili entes (adapta do de Werkmeist er, 2003). Como pode ser verificado pela Figura 2.33, a deformação permanente determina-se pela diferença entre a deformação do ponto inicia l da curva e a final. A deformação permanente justifica-se pelo rearranjo das pa rtículas ou pela quebra das ligações entre as mesmas aquando a fase de carregamento, sendo impossível, após o carr egamento, o reencontro com fase inicial (Carneiro, 2009). A deformação permanente não está apenas relacionada com o número de ciclos, é também necessário associar os níveis de carga que se aplicam durante o ensaio. Quando as cargas a aplicar não são elevadas, as deformações perm anentes nos materiais granulares geralmente estabilizam à medida que o número de ciclos aumenta. Nesse caso, a curva que traduz as deformações permanentes em função do número de ciclos tende para u ma assíntota, ou seja, o incremento da deformação permanente em cada ciclo tende para zero. Porém, quando se aumenta o nível de carga, as deformações tendem a aumentar novamente. Kolisoja (1998) verifica que por vezes os solos sujeitos a carregamentos cíclicos sugerem estabilização das deformações permanentes mas, com a continua ção da ciclagem, estas podem voltar a aumentar tal como pode ser observado na Figura 2.34. Capítulo 2. Estado da arte 75 Figura 2.34 – Exemplo da es tabilização aparente de um so lo carregado sob cond ições cíclicas (adaptado de Kolisoja, 1998 ). Morgan (1966) realiza um estudo com duas areias distint as e verifica que após 2 milhões de ciclos, a deformação permanente continua por estabilizar. Já Barksdale (1972) verifica que a deformação permanente cresce linearmente com o logaritmo do nú mero de ciclos. O referido autor constata que, para tensões de desvio baixas, o incremento de deformações permanente é menor do que com tensões de desvio elevadas. O Quadro 2.10 refere alguns modelos, em função dos a utores que os propõem, que visam explicar o desenvolvimento das deformações permanentes ( ε p ) em função do número de ciclos (N). Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 76 Quadro 2 .10 – Mode los exis tentes para previsão da d eformação perman ente de mat eriais gra nulares não cimentados (Kor ad & Nguyen, 2006). Referência  Modelo  proposto  Khedr  (1985)        Barksdale  (1972)           󰇛  󰇜 Svere  (1990)       Wolff  &  Visser  (1994)     󰇛   󰇜󰇛 1   󰇜 Paute  et  al.  (1996)    ∗   󰇩1    100   󰇪 Huuman  (1997)        1000        1  em que: ε p * é a deformação permanente acumulada excluindo os 10 0 primeiros ciclos; a , b , c , A , B e D são constantes. 2.6.1.2 Deformações resilientes No que se refere à deformação resiliente ( ε r ), esta está a ssociada às partículas de solo que constituem a amostra. Os grãos de solo, após comprimidos, recuperam parcialmente a sua posição inicial. A deformação readquirida em cada ciclo de carga pode ser explicada por ε r . A deformação resiliente é um tema relativamente recente. Lekarp et al. (2000) e Konrad & Nguyen (2006) agrupam os estudos mais relevantes sobre a temática. Este tipo de deformações é equipa rada a deformações elásticas, ou seja, existe um a relação entre a tensão de desvio ( q ) e ε r . Esta relação dá pela designação de módulo resilie nte ( E r ) (Li & Selig, 1994). Para estimar E r é assumido o comportamento resiliente como independente do número de ciclos. Para o caso da ex istência de deformação permanente, E r deve ser calculado durante a descarga de um ciclo (Rios, 2011). O Quadro 2.11 refere alguns modelos, em função dos a utores que os propõem, que visam explicar o desenvolvimento do E r em função de p’ , q , esforço mássico ( θ ) e a tensão tangencia l octaédrica (  oct ). Capítulo 2. Estado da arte 77 Quadro 2 .11 – Mode los exis tentes para pre visão da respo sta resiliente d e materiais gra nulares nã o cimentad os (Korad & Ng uyen, 20 06). Referência Modelo  proposto  Dunlap  (1963);  Monismith  et  al.  (1967 )          Brown  &  Pell  (1967);  Seed  et  al.  (1967)         Uzan  (1985)     ′   ′      ′     Andrei  (1999)     ′   ′       ′     Tam  &  Brown  (1988)     ′   3   ′       ′       Johnson  et  al.  (1986 )     ′ 󰇧 ′  󰇨    Itani  (1990)     ′           * k i são parâmetros constitu tivos de ca da modelo 2.6.2 Conceito do shakedown Um pavimento rodoviário ou uma plataforma ferroviária devem ser p rojetados para que as solicitações transmitidas para os mesmos provo quem maioritariamente deformações resilientes. As deformações plásticas não devem ser admitidas ou, se o forem, devem aparecer e m pequenas parcelas de d eformação permanente. Isso implica que, para cada material, a máxima carga associada ao comportamento resiliente sej a conhecida (Carneiro, 2009 e Rios, 2011). Shakedown é o termo, introduzido por Werkmeister (2003), que se aplica na avaliação do comportamento da estrutura quando sujeita a efeito de cargas cíclicas. O conceito do Shakedown estabelece o de limite de carga Shakedown e que consiste no valor limite da tensão de desvio cíclica para a qual se aceitam os valores da deformação permanente. Segundo Werkmeister (2003), existem quatro fases na avaliação do Shakedown , subdivididas por categorias definidoras de limites de dano: Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 84 Os solos consolidados no lado parcialmente desestruturado podem ser argilas normalmente consolidadas ou ligeiramente sobreconsolida das (ou até areias recentes). Os solos no lado seco do estado crítico são normalmente argilas fortemente sobreconsolidadas ou areias antigas ou muito compactas. Os solos do lado seco te ndem a dilatar antes de alcançarem o seu estado último de resistência. Inversamente, os solos do p arcialmente desestruturado, quando carregados, apenas demonstram deformações volumétricas não dilatant es. Segundo Cuccovillo & Coop (1999) o estado crítico pode ser definido pelo estado último de resistência de um solo cuja massa está em deformação contínua para um volume e tensão efetiva constantes. A teoria dos estados crít icos diz que, para um determinado nível de deformação, que pode variar em função do solo, existe uma única relação entre p’ vs. ν e q vs. p’ . Esta relação é representada pela linha de estados críticos (CSL) conforme as seguintes equações:   Г   l n    󰆒  (2.72) .      󰆒 (2.73) . em que: q f , ν f e p’ f são q, ν e p’ em estado crítico, respetivamente; Г é a extrapolação de ν f para p’ =1kPa. Atkinson (2008) apresenta as posições relativas entre a CSL e NCL para as diferentes representações bidimensionais na forma da Figura 2.38. Capítulo 2. Estado da arte 85 (a) (b) (c) Figura 2.38 – Estados críticos do s olo: a) plano τ ’ vs. σ ’ ; b) plano e vs. σ ’ ; c) plano e vs. log( σ ’ ). (adaptado de Atkinson, 2008). Segundo Rios (2011), a principal característica do estado crítico é: d urante o corte, todos os solos caminham na direção da linha dos estados críticos, independentemente da sua condição ou estado inicial. Inversamente, Viana da Fonseca et al. (2012b) provam alguma não linearidade destas afirmações. Para examinar os solos do lado seco (caraterizados por possuírem resistência de p ico), utiliza- se a envolvente de Mohr-Coulomb normalizada, com uma coesão ( c’ p ) que intercepta o ângulo de atrito de pico (  ’ p ) ( vide Figura 2. 39a). Em solos granulares não se considera c’ p , sendo que  ’ p representa uma combinação do ângulo de atrito em estado crítico (  ’ cv ) e a dilatância ( ψ ). Esta combinação é obtida através da relação tensão-dilatância apresentada por Taylor (1948). Mais tarde, Bolton (1 986) apresenta a seguinte equação baseada na relação tensão-dilatância p roposta por Rowe (1962): ′    󰆒 tan   󰆒 0 , 8   (2.74) . Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 86 (a) (b) Figura 2.39 – a) Normaliza ção dos solos no lado s eco; b) resist ência de pico de solo dilatante ( adaptado de Atkinso n, 2008). em que: τ’ p é a resistência de pico; σ ’ p é tensão efetiva de pico. 2.7.1.3 Normalização Neste ponto apresentam-se apenas as equ ações de normalização das trajetórias tensão- deformação utilizadas na presente dissertação. No entanto, o tema é abordado de forma minuciosa por Rios (2011). A utilização da normalização tem como objetivo padronizar o comportamento de um determinado solo, removendo todos os seus fatores externos, em particular a tensão de confinamento ou outros estados particulares de tensão, como sejam os que se apresentam de seguida. A representação gráfica da trajetória de tensões pode ser normalizada pelas relações q / p’ e , p’ / p’ e , sendo que p’ e representa o parâmetro de normalização calculado pela equação:   󰆒        (2.75) . A normalização também pode ser efetuada pela CSL na forma do parâmetro p’ c calculado a partir de equação que se segue:   󰆒     Г   (2.76) . Capítulo 2. Estado da arte 87 A Figura 2.40 ilustra graficamente as diferentes normalizações aplicáveis em função de p’ e ou p’ c . Figura 2.40 – Parâmetros de normaliz ação para r esultados de e nsaios triaxia is (adaptado de Atkinso n, 2008). A pressão ( p’ ) equivalente da NCL ( p’ e ) é normalmente mai s utilizada porque os métodos para a sua determinação são mais eficien tes do que a caracterização de Г . Por outro lado, Atkinson (2008) recomenda a utilização da n ormalização através de p’ c , afirmando o seu carácter único para um dado solo em oposição a p’ e . Been & Jefferies (1985) propõem uma outra forma de normalização baseada na distância, medida na vertical, entre a CSL e as condições iniciais do solo. 2.7.1.4 Superfície de estado limite (SBS) As características de u m solo limitam as s uas possibilidades de permanecer em determinados estados de tensão. Essas limitaçõe s designam-se por fronteiras de estado que, por sua vez, podem ser:  A resistência última de pico: esta característica do solo é representada por um único valor de ν ; No entanto, existem outras resistências do lado seco que correspondem a outros valores de ν ; A variação de ν , no lado seco, é designada como superfície de estado de pico, que pode ser reduzida a uma equação através da normalização;  A linha normalmente consolidada: tal como foi referido no Ponto 2.7.1.1, nenhum solo granular saturado, não estruturado, pode permanecer à dir eita da NCL;  Tensão efetiva negativa: nenhum solo pode apresentar estas condições. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 88 Tendo em conta as restrições referidas, Atkinson (2008 ) apresenta nos seus trabalhos a ilustração de uma envolvente de estados tridimensional que retrata a NCL, CSL, juntamente com todos os estados de tensão admissíveis de um solo a título exemplificativo. (a) (b) Figura 2.41 – a) Superfície de estado lim ite para solos; b ) superfície de cedência e parede elást ica (a daptado de Atkinson, 2008). 2.7.2 O comportamento dos materiais granulares Apesar da teoria dos estados críticos ter si do inicialmente desenvolvida para argilas, também pode ser aplicada em materiais granulares se forem tidos em consideração determinados aspetos. Rios (2011) realiza um levantamento dos principais fatore s a refletir, baseando-se em trabalhos relativamente recentes de Coop (2003) e Qadimi (2005):  A deformação volumétri ca plástica, observada em condições de compressão isotrópica, está associada ao esmagamento de partículas;  A cedência em compressão isotrópica é controlada tanto pela resistê ncia das partículas como pela densidade do solo;  A cedência para materiais granulares ocorre para tensões muito altas;  Contrariamente às argilas, ν depende não só do estado de tensão como também da compacidade do solo;  O estado crítico da areia é de determinação complexa, uma vez que são necessárias deformações muito elevadas durante o corte, tipicamente acima de 30%; Capítulo 2. Estado da arte 89  Verdugo & Ishihara (1996) atestam a existência de dois troços, com inclinações distintas, na CSL para materiais granulares, defendendo q ue para tensões muito baixas o declive de CSL é substancialmente menor;  O comporta mento das areias é control ado pela sua composição granulométrica; Com efeito – e como grandes tensões envolvem esmagamento de partículas – a análise à luz dos estados críticos pode ser comprometida pela alteração da distribuição granulométrica;  Os materiai s granulares podem alcançar o seu estado de tensão inicial por um variado conjunto de trajetórias de tensão, sendo que a passagem por outros estados de tensão acarreta alterações no comportamento ao corte. 2.7.3 O comportamento dos solos estruturados 2.7.3.1 Introdução Como já anteriormente referido, o termo estrutura de um solo diz respeit o à combinação entre a cimentação e sua fáb rica. Autores como Vaughan (1988) e Leroueil & Vaughan (1990) demonstram que os solos estruturados podem apresentar -se à direita da NCL do material desestruturado. Na Figura 2.42 estão patenteados os caminhos num gráfico e vs. p’ de u m s ol o estruturado e o seu correspondente desestruturado. A superfície a tracejado r epresenta a envolvente onde o solo estruturado pode habitar enquanto a sua fábrica for mantida. Figura 2.42 – Comparaçã o do comport ament o em com pressão de um sol o estruturad o e não estrutu rado (a daptad o de Va ughan, 1988). Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 90 Os trabalhos experimentais de Vaughan (1988) e Leroueil & Vaughan (1 990) permitem retirar as seguintes conclusões acerca comportamento observado:  Não são verificadas grandes deformações volumétricas enquanto o solo mantiver a sua estrutura cimentada;  Apenas a estrutura pode permitir localiza ções acima da NCL do solo não estruturado (note-se que para esta situação o s autores negligenciam os pressupostos dos solos não saturados);  Até atingir a pressão de pré-consolidação o solo mantém-se rígido;  A pressão de pré-consolidação de marca o limite onde as deformações volumétricas começam a aumentar face às anteriormente verificadas. Coop (2003) defende a seguinte tese: para os so los estruturados poderem permanecer à direita da NCL, o efeito estrutura pode ser descrito como uma adição de tensão efetiva que impede o colapso. Esta alegação é também defendida por diversos autores como Coop & Atkinson (1993), Airey (1993), Viana da Fonseca (1988, 1998, 2003), Asaoka et al. (2001), Rodrigues (2003), Rotta el al. (2003), Baudet & Stallebrass (2004), Gasparre et al. (2007), Amaral et al. (2011a), entre outros. Tal como apresenta a Figura 2.42, é expectável que ambas as condições estruturadas e não estruturadas caminhem na mesma direção para valores de p’ elevados. Na sequência da degradação da estrutura, o esmagamento das partículas e respetiva alteração granulométrica ocorre, forçando o encontro entre as duas trajetórias. 2.7.3.2 Resistência última e resistência de pico Cuccovillo & Coop (1999) dividem a cimentação de um solo de forma qualitativa em dois grupos:  Fracamente cimentados: este tipo de solo s possui o ponto de pré-consolidação anterior à NCL do solo;  Fortemente cimentados: neste caso a fronteira isotrópica intacta não é paralela à C SL, devido à progressiva degradação da cimentação após a passagem da pressão de pré- consolidação. Os dois tipos de cimentação, impostos pelas condições iniciais, estão representados na Figura 2.43. Para tensões baixas, o comportamento do solo assume-se como elástico até à resistência de pico, onde a cedên cia ocorre em estado puramente coesivo e não associad o a ψ . Este Capítulo 2. Estado da arte 91 comportamento é seguido de uma quebra de ri gidez provocada pela diminuição das for ças friccionais em estado crítico. Figura 2.43 – Padrões de c omportame nto em corte típic os da fort e cimentaç ão (ada ptado de Co op & Airey, 20 03). Para tensões intermédias ( vide Figura 2.43 n.º 2), a cedência ocorre anteriormente à mobilização da resistência última e o colapso é essencialmente friccional. Nestas condições, o efeito da cimentação influencia a rigidez inicia l mas não a resistên cia. Para tensões elevadas ( vide Figura 2.43 n.º 3 e 4), as liga ções cimentícias encontram-se em cedência, influenciando de forma muito reduzida o comportamento tensão-deformação. A Figura 2.44 ostenta o comportamento idealizado par a solos fracamente cimentados. A diferença destes solos para os primeiros apresentados re side na existência de uma tensão de pico para níveis de tensão intermédia. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 92 Figura 2.44 – Padrões de c omport amento tensão- deformaçã o típicos de um solo fracament e cime ntado (ad aptado de Coop, 2003). Relativamente à fábrica, o comportamento de areias naturais pode ser significativamente afetado por este fenómeno. Segundo Rios (2011), este asp eto não pode ser analisado em solos cimentados. Quando os provetes cimentados são moldados nas mesmas condições que os nã o cimentados, torna-se impossível a distinção da fábrica entre os mesmos. 2.7.3.3 Superfície de estado limite para solo s estruturados Ambas as condições dos solos fortemente e fracamente cimentados podem ser analisadas através das suas envolventes fronteiriças. A Figura 2.45 mostra que o solo cimentado encontra estados de tensão externos à superfície fronteira, definida no Ponto 2.7.1.4. (apelidada como intrínseca), no lado se co e húmido do estado crítico. No entanto, para posições fora d a superfície fronteira isotr ópica intrínseca ( vide Figura 2.45, n.º 3 e 4 ), a trajetória de corte regressa à posição intrín seca através da normalização. Capítulo 2. Estado da arte 93 Figura 2.45 – Comportamento a o corte ca racterístico nor malizado d e uma areia fort ement e cimenta da (adapt ado d e Coop & Airey, 20 03). As mesmas características da Figura 2.45 estão apresentadas na Figura 2.46 para solos fracamente cimentados. Figura 2.46 – Comportamento a o corte ca racterístico nor malizado d e uma areia frac ament e cimenta da (adapt ado de Coop & Airey, 20 03). A Figura 2.46 mostra que a localização da superfície de cedência do cimento ocupa uma pequena parte da SBS intrínseca e que os estados de tensão exteriores à SBS intrínseca apenas podem ocorrer em solos do lado seco d o estado crítico para baixas tensões. 2.7.3.4 Análise através da dilatância Existe uma aproximação alternativa para exp licação dos estados de pico. A metodologia reconhece que durante o corte de um solo dilatante, as tensões de corte devem suplantar a Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 100 A diferença entre módulos de def ormabilidade por ambos os modelos de instrumentação é substancial, sendo que a instrumenta ç ão interna fornece resu ltados mais consistentes, segundo Viana da Fonseca (1996). Também através de ensaios triaxiais ( vide Figura 3.3), Viana da Fonseca (1996) conclui que o comportamento tensão-deformação é típico de solos com reservas estruturais p ara os mais baixos níveis de σ ’ c . Salienta ainda que os gradientes máximos de dilatância verificam-se após o pico de resistência. Este fenómeno é comum em solos residuais saprolítico s de estrutura floculada e com elevadas porosidades (Viana da Fonseca, 1991). Leroueil & Vaughan (1990) afirmam que o acontecimento é uma evidência de que a re sistência é controlada pela estrutura cimentada e não tanto pela compacidade do solo. a) b) Figura 3.3 – q , ε v vs. ε a em ensai os triaxiai s sobre am ostras indefor madas de s olo residual do granito: a) σ ’ c =10kPa; b) σ ’ c =320kPa. (Viana da F onseca, 19 96). Viana da Fonseca (1996) recorre, entre outros, ao modelo hiperbólico para gerar uma lei explicativa da deformabilidade ( E ) do solo residual em função da tensão no final da consolidação.   619   󰇧   󰆒   󰇨 , (3.1) . em que: p atm é a pressão atmosférica ( ≈ 101,3kPa) O autor apresenta por fim alguns dados relativos à envolvente Mohr-Coulomb, apresentando intervalos de valores para c’ e  ’ medidos em laboratório e descritos no Quadro 3.1. Capítulo 3. Caracteri zação dos materiais utilizados para mistura com cimento 101 Quadro 3.1 – Valores i ndicativ os dos parâ metros da env olvent e Mohr-Coul omb deter minados por V iana d a Fonseca (1996). Coesão,  c’  (kPa )  Ângulo  de  atrito, φ ’  (º)  [9,8;  11,6]  [36,8;  38,1]  Viana da Fonseca (1996) realiza também a caracterizaçã o do comportamento do solo residual do granito à luz da teoria do estado crítico. 3.1.2 Caracterização granulométrica da areia siltosa do Porto e limites de consistência O solo utilizado é parte constituinte do Campo Experimental da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (CEFEUP). Trata-se, como descrito no Ponto 3.1.1, de um solo residual do granito amplamente estudado por Viana da Fonseca (1996), Ferreira (2003), Viana d a Fonseca et al. (2004, 2006), Lopes (2007), Walid (2007), Vitali (2008), Amaral (2009), Cruz (2010) e Rios (2011). No presente ponto são descritos alguns dos resultados obtidos por parte destes investigadores, que trabalham sobre este solo no seu estado natural, artificialmente cimentado em amostras remexidas e indeformadas. 3.1.2.1 Curva granulométrica e índices característicos Lopes (2007), aplicando a norma LNEC (1966), chega à curva gran ulométrica do solo do CEFEUP classificando-o como uma areia silto argilosa. Mais tarde, Vitali (2008) realiza novos ensaios granulométricos de uma colheita prov eniente do mesmo local e conclui que para poder comparar os seus resultados com os de Lopes (2007) necessita efetuar uma correção granulométrica. O procedimento realizado por Vita li (2008) incentiva a correção granulométrica por parte de todos investigadores que se lhe seguiram e que estudam a areia silto s a do CEFEUP. A presente investigação não representa uma exceção. Com efeito, qualquer colheita de solo foi corrigida para intentar a curva inicial de Lopes (2007) ( vide Figura 3.4). Estas modificações na granulometria, necessárias par a solos extraídos no mesmo local, justificam-se pela heterogeneidade, típica deste s materiais, reportada por Viana da Fonseca (1996). Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 102 Figura 3.4 – C urvas gran ulométricas o btidas por Lopes (2007) (a traç o interromp ido) e Vitali (2 008). Analisando a curva granulométrica da Figura 3.4, o solo em questão é uma areia siltosa (SM), segundo a classificaçã o proposta pela ASTM (1993). SM é o resultado de uma percentagem superior a 50% de material retido no #200, mais de 50% de material passado no # 4 e mais de 12% de material passado no #200. Recorrendo às análises granulométricas pela via húmida, são obtidos os seguintes valores para os diâmetros padrão de quantidades de material passado:  D 10 = 0,004 mm;  D 30 = 0,07 mm;  D 60 = 0,45 mm. Na aferição do coeficiente de uniformidade ( C u ) e de curvatura ( C c ), aplicam-se os valores supr a listados nas Eqs. (3.2) e (3.3).        (3.2) .    󰇛   󰇜      (3.3) . Capítulo 3. Caracteri zação dos materiais utilizados para mistura com cimento 103 Os valores aferidos pelas equações anteriores para C u e C c são 112,50 e 2,72, respetivamente. Ambos são portadores da conotação de solo bem graduado. A densidade das partículas sólidas ( G s ), aferida pelo ensaio do peso volúmico das p artículas sólidas, é de 2,72. Análises mineralógicas realizadas por Rios (2011) revelam a presença de uma preponderante fração de quartzo e pequenas fraçõe s de mica e caulinite. 3.1.2.2 Limites de consistência do solo Os limites de Atterberg (Casagrande, 1948), ou limites de consistência, são dos parâmetros mais representativos de um solo. Matos Fernandes (2006) apelida-os de valores notáveis de referência. O seu carácter fundamentalmente empírico não exclui a quantidade e qualidade de informação que estes valores acarretam. O conceito adstrito aos limites de Atterberg (adaptados por Folque, 1987) defen de que, para valores de w muito elevados, a mistura água- solo comporta-se como um líquido. Reduzindo progressivamente o w , a supracitada mistura passa a possuir um comportamento moldável e pos teriormente friável. A fronteira que separa os comportamentos líquido e moldável do solo-água dá pelo nome de limite de liquidez ( w L ), enquanto o limite de plasticidade ( w P ) separa os comportamentos moldável e friável. A diferenç a entre w L e w P dá pelo nome de índice de plasticidade ( I p ) [Eq. (3.4)].       (3.4) . Para os trabalhos a realizar, são particularmente relevantes w L e w P , pois a condição dos provetes a ensaiar deve encontrar-se numa região compreendida por ambos. Amaral (2009) recorre a duas amostras para ava liar os limites de consistência. A primeira e segunda misturas apresentam um limite de liquidez de 32% e 35%, respetivamente. Em relação ao limite de plasticidade, as leituras são de 30% e 31% para a primeira e segunda misturas, respetivamente. O índice de plasticidade médio entre as duas misturas, calculad o pela Eq. (3.4), é de 3%. Os finos são classificados como silte s ar enosos (ML). Os resultados obtidos permitem aproximar este geomaterial, como seria de esperar, a um solo não plástico. O índice de atividade da argila ( A t ) é de 0,1, representando um valor de baixa atividade.      %2   (3.5) . Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 104 3.1.3 Ensaio Proctor O estudo da técnica e controle da compactação é r elativamente recente e sobretudo aplicado/desenvolvido para a construção de obras de terras. Através da eliminação do ar no interior do geomaterial, a compactação confere um melhoramento das propriedades dos solos e garante uma maior homogeneidade (Hilf, 1975). A teoria da compactação, como hoje é conhecida, foi desenvolvida por Proctor (1933), quando verifica a existência de uma relação entre o teor em água ( w ) e o peso volúmico seco dos solos ( γ d ). Após a descoberta, o autor inicia um grupo de publicações onde evidencia que o γ d com que um solo é compactado, sob uma determinada energia de compactação, depende do w no momento da compactação (Matos Fernandes, 2011). Os ensaios Proctor (leve e modificado) são de extrema importância nas obras geotécnicas. Havendo lugar a um processo de estabilização do solo, o seu decurso intenta no rmalmente o cálculo de dois índices:  Atribuição de um valor de referência ao peso volúmico do solo seco ( γ d,ma x );  Dotar o solo de um w de referência, i.e., teor em água ótimo ( w opt ). De forma a reproduzir esta condição em l aboratório, e considerando os trabalhos de Lopes (2007) e Gomes Correia & Marques (2002), também os provetes analisados neste trabalho foram compactados para w opt . O ensaio Proctor encontra-se normalizado (ASTM, 1991) e é resumido na compactação de uma amostra de solo num molde cilíndrico em várias camadas. Estas são comprimidas mediante um pilão com peso padronizado, que é largado de uma determinada altura, também ela normalizada. Os moldes empregues têm um de dois tamanhos, que variam em função da granulometria do solo. O ensaio Proctor está dividido em Leve e Modificado, dependendo da energia de compactação. As energias utilizadas são normalizadas e tê m como objetivo simular os equipamentos de compactação em obra. O ensaio Proctor Modificado é usado para simular cargas mais elevadas, por motivo do contínuo progresso do equipamento de compactação (Matos Fernandes, 2011). A etapa subseq uente à compactação consiste na extração do molde e na pesagem do solo húmido. Por fim, subtraem-se duas parcelas de solo, no seio da amostra, com o propósito de medir o teor em água ( w ). Sendo conhecido o volume do molde, o peso volúmico húmido do solo ( γ ) é calculado por: Capítulo 3. Caracteri zação dos materiais utilizados para mistura com cimento 105   ú   (3.6) . Por sua vez, w é calculado por:          (3.7) . em que: m 1 é a massa do recipiente; m 2 é a massa do recipiente mais solo húmido; m 3 é a massa do recipiente m ais solo seco. Por último, γ d é calculado por:     1 (3.8) . O estudo das conclusões obtidas é expresso nu m gráfico onde no eixo das ordenadas se define o peso volúmico seco das amostras e no eixo das abcissas o co rrelativo teor em água determinado pela secagem do solo húmido. Os ensaios Proctor Normal e Modificado para a areia, com e sem cime nto, estão apresentados na Figura 3.5. Figura 3.5 – Ens aio Proct or Leve e M odificado na areia siltosa do Port o com e sem ci mento (L opes, 2007). Salienta-se que na realização do ensaio Proctor modificado em solo-cimento, foi removida a percentagem de finos correspondente à percentagem de cimento adicionada. Desta forma, a Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 106 alteração da distribuição granulométrica é minimizada. A Figura 3.5 permite concluir que w opt e γ d,max não são significativamente afetados pela introdução da variável cimento. O w opt obtido pelo ensaio Proctor Modificado, relativamente ao ensaio Proctor Leve, é consideravelmente reduzido (de 17,5% para 13,0%). Já γ d,max varia na proporção inversa, passando de 16,7kN/m 3 para18,5kN/m 3 . Lopes (2007) prossegue com a sua análise, observando o teor em água ótimo de uma mistura do mesmo solo com cimento ( c =3%). Tal como anteriormente descrito, não se verificam alterações consideráveis no comportamento ao ensaio Proctor com a introdução de cimento. No entanto, é verificada uma queda no w opt (de 13,0% para 12,0%) e um ligeiro aumento de 0,1kN/m 3 no γ d,max . Como o objeto da presente investigação é o estudo de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transporte, os valores de referência adotados são os resultados do ensaio Proctor Modificado respeitante à mistura de so lo-cimento. Com efeito, são definidos os pontos de moldagem verticais indicados na Figura 3.5. Os provetes da pre s ente investigação são compactados para w =12%, variando o e (pela imposição de γ d durante a compactação) de acordo com a análise de Rios (2011), que estuda a possível diminuição de γ d em função da sua substituição das propriedade mecânicas confer idas pelo aumento de c . O índice de consistência ( I c ) para o w opt , calculado pela Eq. (3.9), é de 7,3.            (3.9) . O valor de I c apenas fornece informação valorizável relativamente à parte fina do material. Relembrando os trabalhos de Viana da Fonseca (1996), I c não representa um valor minimamente indicativo do comportamento mecânico do solo residual. 3.1.4 Preparação dos provetes No dia anterior à moldagem de ca da provete, separou-se uma porção de amostra colocada dentro de uma cápsula para medir o teor em água higroscópico ( w hyg ), aplicando a Eq. (3.7). Após a sua recolha, o solo permaneceu numa estufa a 120ºC durante vinte e quatro horas, de forma a secar praticamente toda a água do seu interior e, desta forma, calcular m 3 . Capítulo 3. Caracteri zação dos materiais utilizados para mistura com cimento 107 Determinado o w hyg , foi possível calcular a quantidade de água ( W w ) a adicionar para obter o s 12% definidos no ponto anterior, correspondente ao w opt calculado por Lopes (2007) para o solo-cimento. Atendendo às recomendações de Gomes Correia & Marques (2002), o tempo entre a adição da água e a compactação da última camada não deve exceder o tempo de início de presa do solo- cimento. A percentagem de cimento ( c ) e w são definidos em relação ao p eso do solo seco:   ,   ,    ,     1   (3.10) .     ,        1   (3.11) . O peso de água a adicionar ao solo com um determinado w hyg e com o cimento n o seu estado seco em função do w de referência é:     ,     ,      1 (3.12) . A equação anterior escrita em função de c estabelece-se como:          1        1     1 (3.13) . Face ao peso da água a adicionar, é necessário precaver as perdas de água por evaporação durante a moldagem, que variam consoante o tempo de preparação dos provetes e as dimensões dos mesmos. Para a moldagem do provete, retirou-se uma fração de solo com um peso superior ao peso final do provete [Eq. (3.15)], removendo o peso em finos equivalente ao peso em cimento a adicionar e calculado pela Eq. (3.10). Colocou-se, na sequência, a a mostra num tabuleiro humedecido e acrescentou-se o peso em cimento determinado. Procedeu-se à homogeneização da mistura e cuidadosamente, através de um processo itera tivo, aplicou-se água à mistura até ao valor de W w . A quantidade de solo-cimento necessária para a moldagem do provete depende do volume, do diâmetro do molde, do comprimento final do provete e do peso volúmico requerido. O peso final da mistura ( W m ) contida num tabuleiro, excluind o o fator perdas de água, foi dado pela seguinte adição: Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 108      ,    (3.14) . A Figura 3.5 apresenta os valores de γ d e w pretendido s para cada provete. Conhecendo previamente o volume do molde onde o provete é compactado, foi possível determinar o peso húmido final do provete ( W p ), tal como explica a seguinte equação.      .  1 (3.15) . W p foi dividido em três partes seme lhantes, retirando-se duas pequenas amostras para apurar o teor em água real da mistura. Para a realização da compactação, oleou-se o molde e colocou-se uma primeira placa de alumínio na base do pedestal que suporta o molde. Com o auxílio de um funil, foi introduzida a primeira camada de solo-cimento. Um pistão c ilíndrico foi acionado por uma prensa hidráulica, que conferiu o grau de compactação desejável. Após a compactação da primeira camada, escarificou-se a superfície da mesma, que serviu como base de apoio à segu nda camada. Repetiu-se o processo com a segu nda e terceira camadas ( vide Figura 3.6). Sem aplicação da escarificação, na última camada, colocou-se a segunda placa de alu mínio no topo do prove te, que foi novamente prensado. O objetivo da utilização das placas de alumínio foi o de compensar o previsível empolamento dos provetes aquando da sua desmoldagem. a) b) c) Figura 3.6 – C ompactação d os provetes : a) 1ª camada; b) 2ª camad a; c) 3ª camad a. Capítulo 3. Caracteri zação dos materiais utilizados para mistura com cimento 109 No final de todo o processo descrito, retiraram-se os pedestais e as placas de alumínio para que, na continuidade, o molde e o provete fossem juntamente colocados em câmara húmida. Após 24 horas, os provetes foram desmoldados ( vide Figura 3.7). A desmoldagem foi efetuada com recurso a um extrator de amostras hidrául ico. Este equipamento permitiu o deslocamento relativo entre o provete e o molde através de um travamento superior do segundo elemento. Um pistão colocado na base, apenas e m contacto com o provete, impulsionou-o durante todo o comprimento do molde. Uma correta aplicação de óleo lubrificante diminuiu as tensões tangenciais nos bordos do provete, minimizando a alteração das suas características. Por outro lado, a lubrificação dos moldes pô de ter algumas implicações, não aferidas, em termos do comportamento hidráulico dos provetes. a) b) Figura 3.7 – D esmolda gem dos prov etes de s olo-resid ual/solo-cim ento: a) m omento da extraç ão; b) emb alament o prévio do provete a nterior à colocaçã o em câmar a húmida. Após o processo de desmoldagem, procedeu-se ao levantamento dos diâmetros respetivos em cada extremidade – adotando como valor real a média aritmética entre os dois – bem como o comprimento do provete. Os critérios que permitiram estabelecer a validade do provete foram:  Teor em água → ± 1% do valor de referência;  Comprimento do provete → ± 1mm d o valor de referência;  Diâmetro do provete compreendido no intervalo → ± 0,5mm do valor de referência;  Grau de compactação → ± 1% do valor de referência. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 212 utilizasse duas casas d ecimais, mesmo sabendo que não é essa a prática corrente para este tipo de testes. Quadro 4.6 – Difere nças entre os res ulta dos apres enta dos pelo al gorit mo e por um té cnico exp erimenta do. GC  SM  CS  CL  w opt  (%)  γ d,max  (kN/m 3 )  w opt  (%) γ d,max  (kN/m 3 )  w opt  (%)  γ d,max  (kN/m 3 ) w opt  (%)  γ d,max  (kN/m 3 )  Modelo  7,604  21,422  12,005  18,641  15,269  17,281  18,801  16,676  Técnico  7,55  21,39  12,00  18,65  15,10  17,30  18,80  16,70  Diferenças  0,05  0,03  0,01 ‐ 0,01  0,17 ‐ 0,02  0,00 ‐ 0,02  Variação  0,7%  0,1%  0,0%  0,0%  1,1% ‐ 0,1%  0,0% ‐ 0,1%  Os resultados mostram terminações bastante interessantes. O modelo foi desenvolvido e orientado para o cálculo de γ d,max . No entanto, as maiores discrepâncias entre as análises situam-se no w opt . Contudo, com um a má xima variação 0,1%, os valores de γ d,max ficam també m por esta via, uma vez mais, comprovados. As variações associadas ao w opt podem ser explicadas pela não utiliza ção do método dos mínimos quadrados por parte do técnico de laboratório. 4.3.3 Na procura estatística de w opt e γ d,max 4.3.3.1 Inquérito realizado a especialistas Foi considerado que as validações apresenta das no Ponto 4.3.2.4 não eram, por si só, suficientes. Como consequência, a investigação foi mais longe quando dois dos ensaios apresentados na Figura 4.18 (c e d) foram distribuídos por engenheiros especialista s um pouco por todo o mundo. Através de correio eletrónico dinâm ico foi enviado um ficheiro Excel ® exclusivamente com os pontos determinados pela realizaç ão do ensaio Proctor e duas células para colocação de respostas. À semelhança do que aconteceu com o técnico de labo ratório, foi pedido aos participantes que interpretassem os resultados do ensaio apresentand o duas casas decimais para w opt e γ d,max . O grande objetivo foi proceder à comparação entre uma análise estatística absolutamente independente ao LabGeo, com os resultados obtidos pela curva analítica dos ensaios em questão. O número de especialistas que respondeu ao inquérito foi de 42, um pouco mais do que 30, que corresponde ao mínimo para a verificação das condições de aplicabilidade do teorema do limite central. Capítulo 4. Propostas de metodologias de interpretação de resultad os 213 A escolha dos ensaios para inclusão no inquérito foi influenciada pelos seguintes critérios:  Ramos secos e húmidos bem definidos – com pontos de medição o mais colineares possível – para minimizar eventuais erros de traçado pela não aplicação do método dos mínimos quadrados;  Inclusão de um ensaio que oferecesse o mínimo de dúvidas possível n a localização da componente não linear da curva de compactação (Figura 4.18c);  Inclusão de um ensaio que oferecesse o máximo de dúvidas possível na localizaçã o da componente não linear da curva de compactação (Figura 4.18d). O último ponto da lista de critérios manifestou-se interessante, necessitando de uma análise mais profunda das respostas ao inquérito. A Figura 4.19 apresenta um pormenor dos ramos não lineares das curvas de compactação, juntamente com a resposta dos especialistas às solicitações do inquérito. a) b) Figura 4.19 – Pormenor do s ensaios Pr octor e resposta ao inqu érito: a) CS; b) C L. (Amaral et al., 2 012b). Verificou-se que muitos especialistas consideraram que o ponto com γ d máximo, medido n o ensaio representado pela Figura 4.18d, faz parte do ramo húmido e não do ramo seco, tal como a presente investigação interpretou. Este novo fator justifica a maior dispersão de pontos apresentada na Figura 4.19b e obriga a uma análise mais aprofundada do ensaio em questão. Com efeito, foi introduzida uma alteração aos d ados do algoritmo, contemplando o ponto citado no ramo seco. De seguida, procedeu-se à separação dos resultados entre os especialistas que interpretaram o ponto em questão, ora como pertencente ao ramo seco, ora pertencente ao ramo húmido. Os efeitos obtidos estão patenteados na Figur a 4.20. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 214 a) b) Figura 4.20 – Separaçã o do modelo e res postas em fun ção da posiç ão de γ d máximo medido: a) ramo seco; b) r amo húmido. (Am aral et al., 2012b). Seguidamente ao procedimento supra apresentado, concluiu-se que a dispe rsão diminui consideravelmente em torno da curva analítica. 4.3.3.2 Tratamento dos dados estatísticos Procedendo a uma avaliação analítica dos resultados, apresentados no subcapít ulo anterior, realizou-se o teste não paramétrico Kolmogor ov-Smirnov (Haldar & Mahadevan, 2000) para as distribuições normal, uniforme e exponencial a cada uma das variáveis. O conjun to das seis variáveis diz respeito aos ensaios apresentados nas Figura 4.19a, Figura 4.20a e Figura 4.20b com os respetivos valores de w opt e γ d,max . O critério para a escolha da distribuição foi:        5 % (4.45) . A distribuição que melhores p-values apresentou ao teste de hipóteses foi a distribuição normal ( vide Quadro 4.7). Com efeito, esperam-se valo res de médias próximos das medianas e achatamentos e assimetrias pequenas. Capítulo 4. Propostas de metodologias de interpretação de resultad os 215 Quadro 4.7 – Variávei s determinístic as e não paramétr icas do est udo estatístico efet uado aos resu ltados do inquérit o. Figura  4.19a  Figura  4.20a  Figura  4.20b  w opt  (%)  γ d,max  (kN/m 3 )  w opt  (%)  γ d,max  (kN/m 3 )  w opt  (%)  γ d,max  (kN/m 3 )  p ‐ value  16,9%  32,9%  8,0%  71,3%  75,8%  64,9%  Média  ( μ )  15,25  17,29  18,68 16,69  17,67  16,65  Mediana  15,25  17,29  18,74 16,69  17,73  16,65  Desvio  padrão  (STD)  0,15  0,03  0,17  0,02  0,22  0,02  Assimetria  1,18 ‐ 0,89 ‐ 1,46 ‐ 0,03 ‐ 0,79  0,57  Mínimo  14,86  17,21  18,20 16,65  17,20  16,62  Máximo  15,86  17,33  18,82 16,73  17,92  16,70  Coeficiente  de  variação  (CV)  1,01%  0,16%  0,93% 0,13%  1,26%  0,11%  O coeficiente de variação (CV) – ou homogeneidade – traduz a dispersão em torno da média e é calculado pela seguint e expressão:     (4.46) . Os valores de CV apresentados aludem a dispersões muito baixas (Ramos et al., 2012), o que significa que as respostas entre especialist as apresentam variações muito pequenas, ou seja, qualquer modelo analítico, que se proponha explicar o comportamento não linear da curva de compactação, deve outorgar respo s tas muito precisas. Variações maior es do que as indicadas nos valores de CV não devem ser aceites. É interessante verificar que, tal como aconteceu na abordagem interposta pelo técnico de laboratório, os valores que aprese ntam maior dispersão são relativos a w opt , sem que, no entanto, deixem de ser estatisticamente valores muito baixos. No estudo estatístico apresentado , foram detetados dois pontos aberrantes ( outliers ) nas respostas ao inquérito representado pela Figura 4.19a. Os supracitados p ontos foram devidamente removidos do cálculo determinístico e não paramétrico da análise estatística. 4.3.3.3 Comparação entre as respostas dos especialist as e resultados do modelo Validada a hipótese dos resultado s do inquérito seguirem uma distribuição normal, é possível estabelecer uma comparação entre a sua média e os resultados f ornecidos pelo algoritmo Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 216 apresentado nesta investigação. O Quadro 4.8 apresenta o valor médio de cada variável, em função do ensaio, e respetiva variação percentual. Quadro 4.8 – Compar ação entre os r esult ados obtidos n o inquérito e os resulta dos do model o.  Figura  4.19a  Figura  4.20a  Figura  4.20b  w opt  (%)  γ d,max  (kN/m 3 )  w opt  (%) γ d,max  (kN/m 3 )  w opt  (%)  γ d,max  (kN/m 3 )  Média  ( μ )  15,25  17,29  18,68  16,69  17,67  16,65  Valores  do  modelo  15,27  17,28  18,80  16,68  17,88  16,66  Diferença  absoluta  0,02 ‐ 0,01  0,12 ‐ 0,01  0,21  0,01  Variação  0,12% ‐ 0,04%  0,66% ‐ 0,05%  1,17%  0,03%  As variações percentuais calculadas, entre os resultados do inquérito e modelo, são na globalidade inferiores ao CV aprestado no Quadro 4.7. Esta constatação possui um significado bastante importante, e determina que os re sultados fornecidos pelo modelo analítico possam ser reconhecidos como mais uma opinião especializada. Para além disso, os resultados provam que os valores calculados analit icamente são um parecer certeiro, não só pelo valor absolut o que apresentam, mas também pelo grau de precisão que garantem. Salienta-se ainda que as vantagens do modelo não se esgo tam na definição de w op t e γ d,max . A aplicação do método p ermite conhecer de forma precisa e rápida t odos os pontos do ramo não linear da curva Proctor. 4.3.4 Conclusões Os resultados apresentados permit em concluir que o modelo proposto nesta investigação cumpre a totalidade dos objetivos para que foi pensado. Destacam-se a rapidez e precisão de cálculo dos valores de w opt e γ d,max , que podem ser deduzidos de forma prática e sem recorrer ao desenho da curva de compactação Proctor. A utiliza ç ão deste modelo elimina as diferença s de interpretação dos pontos aferidos pelas medições experimentais. O algoritmo permite inclusive traçar analiticamente todo o desen volvimento da curva Proctor, sem que sejam cometidos grandes desvios aos pontos de medição observados durante o ensaio. A utilização do método dos mínimos quadrados promove não só uma boa explicação de cada um dos troços lineares da curva Proctor como ta mbém proporciona um valor direto e preciso de w opt e γ d,ma x . Capítulo 4. Propostas de metodologias de interpretação de resultad os 217 Apesar das grandes vantagens do método proposto, é sempre necessária uma correta avaliação dos pontos que pertencem aos ramos seco e húmido, sob pena do acontecimento patenteado na Figura 4.20. Paralelamente, conclui-se também que a resposta aos inquéritos por parte dos especialista s seguiu uma distribuição normal de variáveis independentes, o que pe rmitiu uma comparação entre os resultados do modelo e a média das respostas. O carácter normal da distribuição permitiu também uma correta avaliação da dispersão em torno da média das resposta s conseguidas. Por fim, o método apresentado demostra que a análise do ensaio Proctor através da via matemática é bastante competente e elimina divergências de carácter paramétrico comuns às análises fundamentais. 4 4 . . 4 4 I I n n t t e e g g r r a a ç ç ã ã o o d d a a s s u u c c ç ç ã ã o o p p a a r r a a e e n n s s a a i i o o s s c c o o m m t t e e o o r r e e m m á á g g u u a a c c o o n n s s t t a a n n t t e e O estudo do comportamento do solo artificialmente cimentado em condições não saturadas nã o é uma novidade [e.g. Alonso et al. (1990), Fredlund & Rahardjo (1993), Wheeler & Sivakumar (1995)]. Contudo, os modelos que simulam este comportament o não são totalmente consensuais e devem ser sistematicamente calibrados [Van apalli & Fredlund (2000), Lu & Likos (2004)]. Por outro lado, é reconhecida a dif i culdade em medir e controlar a su cção nos ensaios em laboratório. A maioria das técnicas habituais disponíveis em laboratórios especializados são caras ou demoradas (e.g., transferê ncia de vapor e a técnica osmótica) (Ng et al., 2007). Com efeito, não são adequadas quando o objetivo consiste na realização de uma quantidade considerável de ensaios triaxiais ou edométricos em condiçõ es não saturadas. Para os testes, com controlo de sucção, em rochas ou materiais argilosos rígidos, não é invulgar encontrarem- se na literatura ensaios triaxiais realizados ent re 1 a 6 meses ou até mais (Pineda, 2012). Apesar de temporalmente mais económicas, as técnicas de medição de sucção nem sempre são adequadas para todos os níveis de sucções (por exemplo, a avaliação psicrométrica apenas é adequada para medições de sucção elevadas) [Romero et al. (1999), Romero & Simms (2008)]. Levando em consideração estes fa tores, o interesse em medições de sucção mais eficientes tem crescido entre os investigadores. Este trabalho apresenta um novo procedimento de ensaio t riaxial com base na estimativa de sucção, mantendo um teor em água constante. É apresent ado um mo delo empírico que permite a previsão da sucção em função do teor de cimento e índ ice de vazios para a areia siltosa da região norte de Portugal [Viana da Fonseca et al. (1997), Viana da Fonseca et al. (2006), Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 218 Amaral et al. (2011a), Amaral et al. (2011b), Rios (2011)]. Por um lado, é sabido que a sucção aumenta drasticamente com a cimentação interpartículas, enquanto por outro, a curva de retenção é afetada pelos índices de vazios iniciais ( e 0 ) dos provetes, embora para sucções elevadas o efeito do e 0 possa ser negligenciad o (Amaral et al., 2012c). As curvas de retenção (ou SWCC) utilizadas neste trabalh o são calculadas através de métodos indiretos. Para níveis de sucçã o baixos, a técnica utilizada é o por osímetro de intrusão de mercúrio (MIP, vide Ponto 5.1), enquanto para níveis de sucção elevados (acima de 2MPa) a definição do equilíbrio termodinâmico foi o procedimento eleito (WP4, vide Ponto 5.2) (Romero, 1999). As duas técnicas citadas sã o aprofundadas no Capítulo 5. Ambas as curvas de retenção são combinadas para um teor em cimento ( c ) e índices de vazios diferentes, per mitindo uma estimativa de sucção indireta para todas as fases dos ensaios triaxiais a realizar em misturas de solo-cimento em condições não saturadas. 4.4.1 Programa experimental 4.4.1.1 Preparação dos provetes O geomaterial utilizado foi a areia siltosa ciment ada exposta no Ponto 3.1. Os provetes foram moldados de maneira a obter uma forma cilíndrica com 50mm de diâmetro e 33mm de comprimento (para os ensaios MIP e WP4) e 50mm de diâmetro e 100mm de comprimento (para os ensaios triaxiais). O teor em água higroscópico foi medido no dia anterior à moldagem. Determinada a percentagem de água contida no solo no seu estado em laboratório, determinou- se a quantidade de água a adicionar para obter o teor e m água ótimo. Para a moldagem, retirou-se o peso em finos equivalente ao pe so em cimento a adicionar. Desta forma, a manutenção da curva granulométrica e a das variáveis Proctor ficaram asseguradas. A percentagem de cimento ( c ) e o teor em água ( w ) foram c alculados pela divisão entre os seus pesos e o peso do solo seco. Colocou-se a amostra num tabuleiro e acrescentou-se o peso em cimento determinado, procedendo-se à homogeneização da mistura. Aplicou-se á gua até ao teor final através de um processo iterativo. De seguida, a mistura foi ho mogeneizada e colocada num molde cilíndrico com diâmetro interno de 50mm e foi adensada estaticamente até atingir a compacidade requerida. Os provetes para os ensaios triaxiais (com 100mm de comprimento) foram moldados em três camadas. As condições de desmoldagem e tolerâncias admissíveis estão descritas no Ponto 3.1.4. Capítulo 4. Propostas de metodologias de interpretação de resultad os 219 Após os 28 dias de cu ra, os provetes foram removidos da camarada húmida. Aqueles que foram escolhidos para os ensaios triaxiais fora m instalados na célula respetiva. Os provetes adstritos aos ensaios WP4 sofreram um processo de d iminuição de volume para um diâmetro de 30mm e uma altura de 10mm. J á para o ensaio MIP, essa redução previu o vol ume final do provete como um cubo de 1cm 3 . Anteriormente à realiza ção do ensaio MIP, os provetes foram secos utilizando a técnica de exposição a raios infravermelhos. 4.4.1.2 Programa de ensaios Foram realizados os seguintes ensai os:  Um ensaio triaxial (T) de compressão isotrópica com c =5% e teor em água constante e aproximadamente igual ao teor em água da compactação;  Seis ensaios MIP (M) p ara duas percentagens de c distintas (0 e 5%), variando o índice de vazios dos provetes para cada uma das percentagens;  Dois ensaios WP4 (W), que permitiram realizar a interpolação da curva de retenção em sucções médias [1; 2MPa] para ambas as situações de 0 e 5% de cimento. O índice de vazios microestrutural ( e micro ) e o índice de vazios macroestrutural ( e macro ) são calculados através dos ensaios MIP ( vide Ponto 5.1 mais adiante). O e micr o do provete W1 foi estimado pela média aritmética do e micro dos provetes M1, M2 e M3, equanto os e micro dos provetes W5 e T1 foram estimado s pela média aritmética do e micro dos provetes M4, M5 e M6, por possuírem a mesma quantidade de cimento. As característ icas dos provetes são apresentadas no Quadro 4.9. Quadro 4.9 – Principa is característi cas dos provete s utilizad os no mod elo de integr ação da s ucção. Provete  Tipo  de  ensaio  c  (%)  e  e micro  e macro  ρ d  (kN/m 3 )  M1  MIP  0  0,748  0,105  0,643  15,26  M2  MIP  0  0,581  0,108  0,473  16,88  M3  MIP  0  0,452  0,110  0,342  18,38  M4  MIP  5  0,544  0,251  0,293  17,38  M5  MIP  5  0,457  0,245  0,212  18,41  M6  MIP  5  0,511  0,249  0,262  17,76  W1  WP4  0  0,753  0,108  0,645  15,22  W2  WP4  5  0,585  0,248  0,337  16,93  T1  Triaxial  5  0,569  0,248  0,322  17,10  Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 220 em que: e micro e e macro correspondem às componentes micro e macro do índice de vazios, respetivamente, calculadas conforme explicado na Figura 4.21, através do ensaio MIP como explica o Ponto 5.1. Figura 4.21 – Determinaç ão de e micro e e macro para c =0 % e c =5% (adapt ado de Am aral et al., 2012c). Pela perceção do Quadro 4.9 é possível concluir, tal como formulado anteriormente e reforçado no Ponto 5.1, que e micro não depende do índice de vazios inicial de compactação, i.e., durante a moldagem dos provetes, por compressão estática, apenas se verifica alteração na componente macroestrutural do índice de vazios. As modificações de e micro , para provetes com percentagens de cimento diferentes, podem ser imputadas ex clusivamente à quantidade de ligante utilizada. Amostras com maior teor em cimento apresentam e mic ro mais elevados. Com efeito, e micro para W1, W2 e T1 foi calculado com o recurso à média aritmética dos provetes de 0% e 5% de cimento. 4.4.2 Formulação do modelo de integração A estimativa da sucção para ensaios triaxiais não saturados com t eor em água constante é particularmente eficaz quando o provete possui níveis de sucção bastante baixos, i.e., quando está próximo da condição saturada e abaixo do ponto de entrada de ar. A Figura 4.22 ilustra as curvas de retenção indiretamente avaliadas p elo ensaio MIP, calculadas pela equação de Washburn [Eq. (5.1)] para um provete com c =5%, e apresenta um t eor em água sensível ao Capítulo 4. Propostas de metodologias de interpretação de resultad os 221 índice de vazios. Na mesma figura encontra-se o ensaio W2 juntamente com a parte da curva de retenção que necessita de ser calculada através de uma interpolação. Figura 4.22 – Curvas de retenç ão dos pr ovetes c = 5 % e demonstraç ão de um teo r em água c om car ência de integração de sucção (adapta do de Amaral et al ., 2012c). A Figura 4.22 prova que existem níveis de w onde a sucção depende do índice de vazios momentâneo. Com efeito, é necessário estabelecer uma lei que permita verificar a variação da sucção em função do índice de vazios. Esta condição é tant o mais necessária quanto menor for e , uma vez que a sua diminuição aumenta a distância ao ponto de entrada de ar. A lei pretendida tem a forma da Figura 4.23, conseguida através da Figura 4. 22. Figura 4.23 – Variação da sucção em fu nção do í ndice de vaz ios para diferentes nív eis de teor em água (ad aptado de Amaral et al., 2012c). Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 228 4.5.2.2 Formulação do novo índice F O índice que agora se propõe pretende quantificar uma relação percentual entre o volume que o cimento ocupa num provete, dividido pelo volume que o cimento pode ocupar. Esta relação de volumes pode também ser escrita através de uma relação de massas volúmicas secas. Com efeito, um índice de enchimento de cimento ( F ) pode ser escrito pela relação da massa volúmica seca do cimen to mínima ( ρ d,c min ), dividida pela massa volúmica seca do cimento real. Para melhor interpretação do índice F , escrevem-se as afirmações supra proferidas da seguinte forma:   ,    ,  (4.50) . ρ d,c min pode ser explicado através de uma mistura de solo com cimento, em que a componente da mistura solo não possui qualquer vazio (e.g. e =0) e a componente cimento é responsável pela totalidade do índice de vazios existente na mistura de solo com cimento. Esta condição não real pode ser matematicamente explicada por:  ,      ,    ,  , (4.51) . em que: ρ s,m é o peso volúmico das partículas sólida s da mistura; ρ s,c é o peso volúmico das partículas sólidas do cimento; f é dado pela Eq. (4.52).    ,   ,   ,  (4.52) . O peso volúmico das partículas sólidas da mistura, à semelhança do índice apresentado por Consoli et al. (2005), é calculado pela proporção ent re a massa volúmica das partículas sólidas do solo ( ρ s,s ) e a massa volúmica das partículas sólidas do cimento ( ρ s,c ).  ,    ,  󰇛 1  󰇜  , (4.53) . Recordando que:      (4.54) . Capítulo 4. Propostas de metodologias de interpretação de resultad os 229 e que o cimento pode ser assumido como micro porosid ade, a massa volúmica do cimento seco real ( ρ d,c ) pode ser escrita por:  ,     ,      ,  , (4.55) . Desenvolvendo as duas componentes da Eq. (4.51) ( ρ d,c min e ρ d,c ), obtém-se a seguinte equação final:    ,   . ,   ,  .  , (4.56) . A componente da micro porosidade da respon sabilidade do cimento ( e cimento ) está representada na Figura 4.26 ( e cimen to =9,04×10 -3 c + 0,202 – 0,108) translacionada s por uma ordenada na origem de 0,108 relativa ao e micro do solo sem cimento. Conhecido o desenvolvimento de e cimento em função de c para as misturas analisadas, a equação anterior pode ser reescrita para:    ,  󰇛 9,04  10    0,09 󰇜  ,   ,   , (4.57) . Sabendo que as grandezas f e c podem ser calculadas pelas mesmas variáveis, a Eq. (4.57) assume a sua forma final:    ,   ,   ,    ,   9,04  10    ,   ,    0,09  ,    ,   ,   ,    , .  , (4.58) . 4.5.2.3 Aplicação prática Para testar a capacidade do índice F apresentado, op tou-se por convocar os resultados apresentados por Rios Silva et al. (2009), que utilizam o índice η /( V v / V t ) 0,21 para explicar a resistência à compressão uniaxial ( q u ) de provetes de so lo-cimento semelhantes aos provetes estudados na presente investigação. Este proce dimento tem dois objetivos:  Avaliar a capacidade de normalização do índice em resultados já publicados;  Proceder a uma comparação entre índices em resultados independentes da presente investigação. A Figura 4.27 realiza uma adaptação dos resultados citado s. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 230 Figura 4.27 – Capacidad e de nor malização d o índice apr esentado p or Consoli et al. ( 2005) ao s resultados de Rios Silva et al. (20 09). Tal como esperado, o índice de Consoli et a l. (2005) apresenta resultados muito competentes na normalização do teor em cimento ( c ) e índice de vazios ( e ). A Figur a 4.28 ilustra a aplicação do índice F aos resultados apresent ados na Figura 4.27. Figura 4.28 – Capacidad e de nor malizaçã o do índice F a os resultad os de Rios S ilva et al. (2 009). Os resultados apresentados na Figura 4.27 e Figura 4.28 são esclarecedores. O índice proposto por Consoli et al. (2005, 2007) é detentor de um coeficiente de determinação (R 2 ) maior, ou seja, adapta-se melhor às resistências de compressão uniax ial medidas. Por outro Capítulo 4. Propostas de metodologias de interpretação de resultad os 231 lado, o índice F apresenta um valor de R 2 elevado para uma regressão potencial. Esse bom ajuste cai ligeiramente quando se ap roxima m os resultados a uma regressão linear. Apesar do R 2 superior apresentado pelo índice de Consoli et al. (2005), considera- se o índice F como cientificamente mais ajustado por cinco razões:  É um parâ metro físico calculado através de variáveis físicas f undamentais, tendo significado físico: Volume que o cimento ocupa dividido pelo volume que o cimento pode ocupar;  Não possui carácter empírico, ao contrário do índice de Con s oli et al. (2005);  Apesar de não aprofundado, o índice F permite entrar com a variável tempo de cura através da translação apresentada na Figura 4.2 6;  Os resultados podem ser ajustados a uma regressão linear mantendo um generoso R 2 . A grande desvantagem do índice F reside na medição do e cimento . Para uma correta mensuração da variável citada, é necessário o recurso a equipamento e ensaios dispendiosos. No entanto, acredita-se que a evolu ç ão de e cimento em função da quantidade de cimento seja uma lei de exclusiva dependência do tipo de cimento. A aproximação linear dos pontos apresentados na Figura 4.28 permite a introdução do índice F em modelos numéricos de uma forma menos dispendiosa do que as variações potenciais obrigatórias aquando a utiliza ção do índice de Consoli et al. (2005). 4.5.3 Conclusões A presente proposta é uma alternativa ao índice de normalização dos e feitos índice de vazios e teor em cimento apresentado por Consoli et al. (2005). O índice F (que pode ser considerado como um índice de enchimento de cimento) te m como pressupostos de cálculo a determinação do volume que determinada quantidade de cimento ocupa num provete de solo-cimento, dividido pelo total de volume que o mesmo cimento poderia ocupar no interior do mesmo provete. O objetivo da proposta apresentada consiste na eliminação das principais críticas, infra listadas, apontadas ao í ndice antigo proposto por Consoli et al. (2005):  Não possuir significado físico;  Incluir uma variável empírica e de domínio mal definido. Recorrendo a resultados independentes, foram comparadas as propostas antiga e recente. Ficou provado que o novo índice F é capaz de explicar de forma eficaz a resistência à compressão uniaxial de uma bateria considerável de provetes de so lo-cimento. Adicionalmente, F dissipa as críticas supra listadas. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 232 Considerando a hipótese de inclusão do índice F em modelação numérico-analítica, surge uma renovada vantagem face ao índice de Cons oli et al. (2005). Enquanto q u , explicado por η /( V v / V t ) 0,21 , não pode ser aproximado a uma regressão linear mantendo níveis aceitáveis de R 2 (>0,70), o índice F não possui a mesma dificuldade (como prova a Figura 4.28). A última das vantagens resume-se à provável dependência do índice F com o te mpo de cura do cimento, permitindo uma possível normalização de uma terceira variável. Capítulo 5. Ensaios especiais (MIP, WP4 e FESEM) 233 CAPÍTULO 5. ENSAIOS ESPECIAIS (MIP , WP4 E FESEM) O capítulo que agora se inicia foi inicialment e concebido para fornecer um apoio experimental aos ensaios apresentados no Capítulo 7, baseados nos ensaios triaxiais não saturados com teor em água constante, referidos no Ponto 4.4. No entanto, o rigor científico exigido e o carácter pouco comum destes ensa ios relevam-os como objeto de investigação, destacando-os como de especial interesse e respetiva inclusão num único capítulo da investigação. A evolução da geotecnia e da ciência dos solos, aliada ao constante melhoramento de equipamentos e procedimentos de ensaio, conduz à análise cada vez mais pormenorizada e descritiva dos geomateriais [e.g., Collins & McGown (1974), Delage & Lefebvre (1 984), Delage et al. (1996), Al-Rawas & McGown (1999), Mitchell & Soga (2005)]. Com efeito, este capítulo é exclusivamente dedicado a pormenores. Pretende-se com o presente expor a influência de, por exemplo, porosidades abaixo de 1 μ m e teores em água inferiores a 1% no comportamento mecânico das misturas de solo-cim ento analisadas. 5 5 . . 1 1 E E n n s s a a i i o o c c o o m m p p o o r r o o s s í í m m e e t t r r o o d d e e i i n n t t r r u u s s ã ã o o d d e e m m e e r r c c ú ú r r i i o o ( ( M M I I P P ) ) 5.1.1 Princípios da técnica MIP A técnica MIP é utilizada para deter minar a distribuição do tamanho dos poros, relacionando o volume de mercúrio que é introduzido numa determinada amostra com a pressão necessária para o introduzir. O resultado típico deste ensaio contrapõe o logaritmo da derivada instantânea da curva de intrusão com o diâmetro livre e médio do poro penetrado ( d ) ( vide Figura 5.1). O desenho deste resultado dá origem ao que na literatura é a pelidado de PSD (função densidade de tamanho de poros). A função PSD calculada não corresponde exatamente à PSD real do solo analisado, devido a um conjunto de fatores infra listad os. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 234 Figura 5.1 – Exe mplos típ icos de funç ões PSD (R omero, 20 05). A técnica MIP é baseada na introdução de uma pressão de mercúrio ( p ) que provoca a sua intrusão nos vazios do geomaterial (Romer o & Simms, 20 08). Segundo Diamond (1970), para poros aproximadamente cilíndricos pode aplicar-s e a equação de Wash burn para o cálculo de p .  4  cos 󰇛   󰇜  (5.1) . em que: σ Hg é a tensão de superfície do mercúrio ( ≈ 0,484N/m a 25ºC); θ nw é o ângulo de contacto entre o mercúrio e a parede do poro. Segundo Diamond (1970), para solos com uma elevada parcela de finos, θ nw está compreendido entre 139º e 147º. A técnica MIP assume implicitamente um ângulo de equilíbrio constante e independ ente do tipo de fluxo de mercúrio no sentido dos vazios do solo. Com efeito, as condições de aplicabilidade da Eq. (2.3) não são verificadas (Romero & Simms, 2008). Segundo Hoffman (1975), θ nw altera- se em função da velocidade do fluxo de mercúrio, que por sua vez está relacionado com p . A ϊ t- Mokhtar et al. (2004) provam que utilizando a velocidade de fluxo de Poiseuille, θ nw é significativamente alterado. Por esta razão, Romero & Simms (2008) afirmam qu e para cada estágio de aplicação de p deve ser considerado um interval o de tempo suficientemente grande, para que a intrusão de mercúrio possa ser realizada em condições quase-estáticas. Capítulo 5. Ensaios especiais (MIP, WP4 e FESEM) 235 Dos trabalhos realizados por Romero & Simms (2008) podem ser destacadas as princip ais limitações da técnica MIP:  Os poros encarcerados por partículas sólidas de material não são penetrados por mercúrio e consequentemente não são medidos;  Os poros mais graúdos, que só podem ser penetrados após o enchimento de o utros poros mais pequenos, não são corretamente medidos;  Os equipamentos MIP não têm, muitas ve zes, a capacidade de mobilizar pressões suficientemente elevadas para que sejam penetrados todos os microporos;  A pressão mínima que o equipamento pode realizar leva, não raras vezes, à não deteção dos poros mais graúdos. Os mesmos autores estimam que os equipamentos MIP co rrentes não são capazes de detetar poros acima de 400 μ m nem abaixo de 10nm. Na execução dos ensaios MIP é verificado que num pro cesso de intrusão seguido de um processo de extrusão de mercúrio, a quantidade de mercúrio inicial não é r estabelecida, indicando que existe uma quantidade mensurável de mercúrio que fica permanentemente retido nos poros constrangidos. Uma segunda intrusão segue exatamente a trajetória de extrusão anterior, indicando a existência de porosidade não constrangida (Romero & Simms, 2008) . Delage & Lefebvre (1984) assumem que a porosidade nã o constrangida representa a macro porosidade do solo ( η macro , também explicada por e macro ), enquanto a porosidade constrangida representa a micro porosidade do solo ( η micro , também explicada por e micro ). O comportamento histerético das curvas intrus ão-extrusão do ensaio MIP foi já discutido por alguns autores [e.g. Sills et al. (1973), Reed et al. (1979)], que reportam a não alteração do diâmetro dos poros durante os ciclos de alta pressão devido à incompressibilidade do mercúrio. No entanto, Romero & Simms (2008 ) apontam para a possibilidade de existência de alterações do d inicial devido à pri meira intrusão de mercúrio em condições despressurizadas. Simms & Yanful (2004) referem ainda a influência da deformação da cápsula que envolve o provete sujeita às altas pressões . Este fator pode trazer uma sobrestimação dos poros mais pequenos. 5.1.2 Preparação dos provetes A preparação dos provetes de solo-cimento para o ensaio MIP requer um processo de mistura, compactação do solo-á gua-cimento, um determinado período de cura, uma diminuição de volume após cura e um período de secagem. O ensaio MIP requer a remoção integral da água que ocupa os poros mais pequenos e que previne a entrada desobstruída do mercúrio. Os Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 236 provetes podem ser desidratados através de qualquer uma das técnicas apresentadas por Delage & Pellerin (1984):  Secagem ao ar;  Secagem em estufa;  Liofilização;  Técnicas de secagem-ponto-crítico. No entanto, para amostras sensíveis à dilatância térmica (como é o caso das argilas), a técnica mais aconselhada segundo Romero & Simms (2008) é a liofilização, especialmente em amostras muito húmidas. O processo de liofilização manipula as condições de pressão e temperatura de forma a eliminar as tensões su perficiais, para que não exista lugar à retração do solo quando este se encontra no pr ocesso de secagem. O processo de secagem sob tensões superficiais não nulas r esulta na alteração da porosidade do provete e, consequente, perda da monotorização do e inicial. Como não são esperados pa drões comportamentais típicos nos provetes de solo-cimento semelhantes às argilas, a técnica utilizada na secagem dos provetes foi o equilíbrio de vapor (secagem ao ar) através de infravermelhos ( vide Figura 5.2). a) b) Figura 5.2 – Sec agem d os provete s para o ens aio MIP atrav és da exposiç ão a infr avermelhos. Os provetes para os ensaios MIP foram moldados para uma forma cilíndrica com 50mm de diâmetro e 33mm de altura. À semelhança dos restantes provetes de solo-cimento, w hyg foi Capítulo 5. Ensaios especiais (MIP, WP4 e FESEM) 237 medido no dia anterior à moldagem para cálculo da quantidade de água a adicionar para u m teor em água final de 12%. Retirou-se novamente o peso em finos equivalente ao peso em cimento a conferir à mistura. O solo, cimento e água foram dispostos num tabuleiro para homogeneização. O volume total resultante não foi separado em três parcelas, como relatam os restantes procedimentos de preparação de provetes. Inversamente, foi colo cada uma única parcela de solo-cimento (com peso húmido igual ao peso húmido final do provete) num molde cilíndrico com diâmetro interno de 50mm que posteriormente foi prensada estaticamente até atingir a compacidade desejada. Os provetes para o ensaio MIP foram també m desmoldados 24 horas após a sua colocação em câmara húmida. Depois de medidas e pesadas, as amostras foram novamente colocadas na mesma câmara húmida durante mais 27 dias, onde permaneceram em cura. As tolerâncias de aceitação dos provetes foram:  Peso volúmico entre ±1% do valor de referência;  Teor em água entre ±0,5% do valor de referência;  Diâmetro entre ±0,2mm;  Comprimento ±0,2mm. Após os 28 dias de cura, os provetes foram removidos da câmara húmida e sofreram u m processo de diminuição de volume para um cubo co m aproximadamente 1cm 3 . Estas dimensões são impostas pelo volu me do invólucro que recebe o provete e pelo processo de secagem. Os infravermelhos são mais eficientes e adequados quando a taxa de transferência de calor para o inter ior do provete é maximizada. Após 24 horas de exposição aos raios infravermelhos, os provetes foram introduzidos na câmara do penetrómetro e deu -se início ao ensaio. Salienta-se ainda que também foram compactados provetes sem cimento para este ensaio. O procedimento é em todo semelhante não havendo lugar à remoção de finos e períodos de cura. 5.1.3 Relação de PSD com a SWCC O ensaio e técnica MIP têm sido derivados na tentativa de obter parâmetros hidráulicos e respetivas curvas características solo-água (Romero & Simms, 2008). O processo de intrusão de mercúrio é semelhante à intrusão de ar num ciclo de secagem da curva de retenção (água adsorvida). Segundo Romero & Simms (2008), a intrusão de mercúrio assemelha-se à ejeção de água através de uma frente de ar repulsiva para um d equivalente. Assumindo um solo não deformável, o volume de poros sem mercúrio pode ser utilizado na avaliação de w Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 244 5.1.5 Tratamento e análise de resultados Neste ponto é efetuado um estudo acerca das variações da PSD ( vide Figura 5.1) e curva intrusão-extrusão ( vide Figura 5.8) em função das variáveis em análise (compacidade, teor e m cimento e dias de cura). O estudo da variação da SWCC em função das mesmas variáveis é remetido para o Capítulo 7. Para os ensaios através da técnica MIP foram utilizados 18 provetes, variando a quantidade de cimento e índice de vazios. O estudo sobre a variação das curvas em função dos dias de cura foi realizado nos provetes mais cimentados ( c =7%). O processo de cura foi interrompido através da secagem prematura com recurso à exposição aos raios infravermelhos. A intensidade dos raios infravermelhos foi ajustada para que a temperatura dos provetes não fosse consideravelmente aumentada (menor do que 40ºC). Com efeito, não são esperadas acelerações na velocidade do processo de cura devido a esta exposição. O Quadro 4.9 discrimina os provetes ensaiados e suas principais caract erísticas e índices físicos. Quadro 5.1 – Principa is características dos provete s utilizados na anál ise MIP. Provete  Cimento  (%)  Dias  de  cura  Índice  de  vazios  G s  ρ d  (kg/m 3 ) MIP1  0  28  0,748  2,720  1556  MIP2  0  28  0,581  2,720  1720  MIP3  0  28  0,452  2,720  1873  MIP4  0  28  0,378  2,720  1974  MIP5  2,00  28  0,601  2,727  1703  MIP6  2,00  28  0,454  2,727  1876  MIP7  2,00  28  0,373  2,727  1986  MIP8  4,00  28  0,771  2,735  1544  MIP9  4,00  28  0,417  2,735  1930  MIP10  4,00  28  0,508  2,735  1814  MIP11  5,00  28  0,544  2,738  1773  MIP12  5,00  28  0,457  2,738  1879  MIP13  5,00  28  0,511  2,738  1812  MIP14  7,00  28  0,645  2,745  1669  MIP15  7,00  28  0,438  2,745  1909  MIP16  7,00  28  0,508  2,745  1820  MIP17  7,00  7  0,650  2,745  1664  MIP18  7,00  1  0,651  2,745  1664  Capítulo 5. Ensaios especiais (MIP, WP4 e FESEM) 245 A escolha das características dos provetes baseou-se na obtenção de um padrão de comportamento da SWCC para as diversas misturas, que posteriormente deu origem a uma linha de investigação mais ampla. O presente capítulo tem como objetivo fornecer uma base experimental que possa ser integrada nos ensaios apresentados no Capítulo 7. Com efeito, no supracitado capítulo, re levam-se os critérios para a escolha dos provetes do Quadro 4.9 de forma mais aprofundada. 5.1.5.1 Distribuição de poros em função do índice de va zios Nesta secção são apresentados os resultados mais relevantes para análise da variação da PSD em função do índice de vazios. Para tal, é necessário manter as restan tes variáveis ( c e tempo de cura) constantes. Como primeira abordagem, a Figura 5.9 mostra as diferentes PSDs para os provetes com 0% de cimento (MIP1, MIP2, MIP3 e MI P4). Figura 5.9 – PSD do solo sem cimento p ara diferentes í ndices de vaz ios. A análise da Figura 5.9 admite retirar duas importantes conclusões:  Existe uma parte da distribuição de poros que não é alterada para co mpactações com índices de vazios entre 0,75 e 0,53 (representada na Figura 5.9 pela designação “ poros constantes”); Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 246  Observa-se que o nível de compacidade não al tera significativamente uma densida de de poros de maior dimensão do que a anterior [7 μ m; 40 μ m]; À medida que é diminuído e , o integral da PSD no intervalo apresentado vai diminuindo progressivamente. Este comportamento sugere que o índice de vazios conferido pela compactação estática dos provetes é uma função exclusiva de e mac ro . Porém, para índices de vazios ainda mais baixos ( e =0,38) denota-se um abatimento geral da PSD. A Figura 5.9 alvitra que houve qualquer inconsistência não detetada durante o ensaio por duas razõe s :  Não é consistente que a alteração total do índice de vazios seja imputada à significativa quebra na micro porosidade presente no intervalo [10nm; 200nm], uma vez que os valores da densidade de poros presentes no intervalo [0,3 μ m; 2 μ m] se mantiveram relativamente constantes;  As densidades que assumem o valor zero na PSD de e =0,378 são consistentes com a possível obstrução de canais para o fluxo de mercúrio para o interior do provete; Por sua vez, também é consistente que este fenómeno apenas tenha sido verificado para o ensaio MIP no provete mais compactado da Figura 5.9 ( vide Quadro 4.9). A Figura 5.9 mostra também que para provetes pouc o compactados de solo sem cimento existe uma óbvia distribuição bimodal que vai claramente desaparecendo à medida que e é diminuído, caminhando progressivamente, e de forma cada vez mais consistente, para uma distribuição de poros monomodal. Analisadas as especificidades da PSD em funç ão do índice de vazios para provetes de solo sem cimento, efetua-se o procedimento da mesma análise para provetes cimentados. Para tal, escolheu-se uma família de c com uma distribuição de índice de vazios o mais pró xima possível de c =0%. Com efeito, o conjunto de provetes c =4% (MIP7, MIP8 e MIP9) foi eleito para proceder à investigação supracitada. A Figura 5.10 ilustra a mesma re presentação da Figura 5.9 para os provetes cimentados a 4%. Capítulo 5. Ensaios especiais (MIP, WP4 e FESEM) 247 Figura 5.10 – PSD do solo com cimento ( c =4 %) para diferent es índices de vazios. A análise da PSD da Figura 5.10 é bastante mais complexa que a sua homóloga sem cimento. Em primeiro lugar, à semelhança do que foi observado no solo sem cimento, é verificado um decaimento da curva no intervalo [7 μ m; 40 μ m]. Este fenómeno significa que esta região da curva não é controlada pela quantidade de cimento. Por outro lado, existe um pico na distribuição de poros, ligeiramente à esquerd a do pico anterior e mais demarcado que, à medida que e é reduzido, vai atenuando e caminhando para a esquerda (no sentido da diminuição do diâmetro dos poros). Estes dois picos obser vados, aparentemente próx imos, têm comportamentos completamente distintos. O pico relativo ao espectro de poros mais elevado é influenciado pela compactação mas não influencia a restante distribuição de poros, ou seja, os poros desta família vão desaparecendo na íntegra através do processo de compactação, e a sua transição (diminuição de tamanho) dá-se de forma abrupta. O segundo conjunto de poros [1 μ m; 7 μ m], por sua vez, tem um desenvolvimento gra dual. Desta forma, vão diminuindo progressivamente o seu diâmetro médio (deslocação do pico para esquerda), ao mesmo tempo que também vão fe chando de forma diferida (proporcionalmente ao sucedido na primeira família de poros). Por último, a Figura 5.10 mostra um acréscimo na porosidade mais pequena [60nm; 500n m]. Este fenómeno não é fácil de explicar mas pode ser justificado pelo fechamento de um espectro Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 248 alargado de diâmetros de poros. Se todas as densidades denota rem um co mportamento semelhante ao apresentado pela família do seg undo pico, surge um consequente aumento das densidades dos poros mais pequenos como resu ltado da diminuição dos mais graúdos. Quanto maior for o diâmetro do poro, menor será a energia necessária para o fazer reduzir de volume . Desta forma justifica-se também a existência de uma zona de transição ( vide Figura 5.10). Como para índices de vazios altos (i.e. e =0,771) existe ainda um elevado número de poros graúdos, as energias canalizadas d urante a compac tação servem essencialmente para diminuir o volume dos macroporos. Para índices de vazios baixos (i.e. e =0,417), o volume dos macroporos foi já substancialmente diminuído, o que leva ao levantamento de duas novas hipóteses:  A redução de maiores quantidades de volume de macroporos pode estar impedida por um intertravamento forte entre as partículas graúdas do solo e/o u pelas ligações cimentícias;  A redução de volume de macroporos gerou um bloqueio novo à passagem de mercúrio para os poros mais graúdos. Não subsistindo espaço à contínua diminuição do volume dos macroporos (por uma das razões listadas ou ambas), a compactação do solo-cimento retira parte da remoção do ar à diminuição dos poros mais pequenos. Desta forma fica ju stificado o aspeto da curva e =0,417 ( vide Figura 5.10) no intervalo [60nm; 500nm]. 5.1.5.2 Distribuição de poros em função do teor em cim e nto Para avaliar os resultados mais relevantes na análise da variação da PSD em função de c , recorreu-se a três percentagens de ligante distintas ( c =0%, 2% e 7%), correspondentes à quantidade de ligante mínima e máxima, realiza ndo um esforço pela aproximação do índice de vazios entre as amostras (MIP2, MIP5 e MIP1 4). Os provetes foram todos ensaiados com 28 dias de cura, à exceção do MIP2, com c =0%. A Figura 5.11 demonstra as variações da PSD do solo e solo-cimento para índices de vazios semelhantes e igual período de cura. Capítulo 5. Ensaios especiais (MIP, WP4 e FESEM) 249 Figura 5.11 – PSD do solo em fu nção do teor em ciment o. Importa reter da Figura 5.11 que existem três zonas de comportament o claramente distinto da PSD do solo-cimento, em função do teor em cimento. Em primeiro lugar, constata-se que a partir de uma distribuição de poros superior a 1 μ m não existem alterações significativas nas distribuições de diâmetros médios. A parte da Figura 5.11 assinalada como constante denota uma ligeira redistribuição do número de poros localizado no pico mais à direita de c =0% para diâmetros médios um pouco maiores. Esta condição pode ser justificada por alguma perda de estrutura (aumento do índice de vazios não medido) face aos remanescentes provetes tratados com cimento. No entanto, essas modificações não são suficientement e grandes para concluir uma clara tendência comportamental do ensaio MIP face aos poros mais graúdos para diferentes teores em cimento. Uma dedução mais simples retira-se do intervalo [10nm; 100nm]. Como seria de esperar – e sabendo que no espectro de distribuição de tamanho de grãos, o cimento pode ser considerado um material fino – um incremento de ciment o confere um aumento da densidade dos poros mais pequenos. Esse aumento de densidade é posteriormente compensado no intervalo de transições apresentado na Figura 5. 11. Sabendo que o índice de vazios total corresponde ao integral da curva PSD adicionada à parcela de e não penetrado pelo mercúrio, sendo que esse valor é constante, o acréscimo de índice de vazios que o cimento transporta para o solo entre 10nm e 100nm é compensado por uma diminuição de distribuição de p oros no intervalo 100nm Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 250 a 2 μ m. Este fenómeno justifica não só a translação verificada como também a posição relativa das curvas no espectro de diâmetro médio de poros. 5.1.5.3 Distribuição de poros em função do tempo de cura Para o estudo da PSD em função do tempo de cura optou-se pela escolha da percentagem máxima de cimento utilizada ( c =7%). Como os ensaios MIP estão normalmente a ssociados a custos elevados, não houve oportunidade de efetuar um estudo exaustivo sobre a temática “hidratação do cimento”. Com efeito, apenas foram realizados 3 ensaios (MIP14, MIP17 e MIP18) para índices de vazios idênticos. A Figura 5.12 ilustra a PSD do solo-cimento ( c =7%) para 1, 7 e 28 dias de cura. Figura 5.12 – PSD do solo em função do t empo de cura do c imento ( c =7% ). Os resultados apresentados na fig ura anterior sugerem conclusões análogas às apresentadas no Ponto 5.1.5.2. À semelhança do que é apresentado na Figura 5.11, a Figura 5.12 possui três zonas comportamentais distintas. Para diâmet ros de poros entre 10nm e 100nm verifica-se um acréscimo da amplitude da PSD em função do tempo de cura. Esse aumento de d ensidade dos poros mais pequenos com o ganho de presa é compensado no intervalo [0,1 μ m; 2 μ m]. Concomitantemente, após a segunda zona de transição, onde aparentemente a cura deixa de Capítulo 5. Ensaios especiais (MIP, WP4 e FESEM) 251 influenciar a distribu ição de poros, volta a suceder-se uma redistrib uição de poros no pico máximo do provete com um dia de cura para os poros mais graúdos. A Figura 5.11 e Figura 5.12 sugere m que a distribuição de poros, e consequentemente o índice de vazios, varia da mesma forma, quer para o teor em cimento como para o tempo de cura. Esta constatação pode ser explicada assumindo que a cura do cimento e a adição de cimento possuem o mesmo efeito no ensaio MIP. Ta l conclusão trata-se apenas de uma indicação assente nos resultados disponíveis. 5.1.5.4 Macro e micro porosidade em função do índice d e vazios Recorrendo aos mesmos ensaios apresentados no Ponto 5.1.5.1, realiza-se agora, a análise às micro e macro porosidades em representações do tipo da Figura 5.8. A figuração gráfica latente às distintas porosidades e seu respe tivo cálculo foi já efetuada no Capítulo 4. A Figura 5.13 apresenta as variações de e micro e e macro em função de e total em provetes não cimentados e numa representação e vs. d . Na mesma figura está representado e dep , que pode ser deduzido a partir das equações anteriores e toma a forma de:         (5.12) . Figura 5.13 – Macro e micr o porosida des em função d o índice de v azios ( c =0%). Para uma correta comparação entre as curvas obtidas na Figura 5.13 é necessário adicionar à ordem da discussão as quantidades relativas de índices de vazios não medidos em função dos Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 252 provetes. O Quadro 5.2 apresenta as parcelas de e micro , e macro e e np de cada um dos provetes analisados ( c =0% e c =4%). Quadro 5.2 – Parce las de e di vididas por duas perc entage ns de ciment o e diferent es índ ices de vazi os. Provete  Cimento  (%)  e  e mi cro  e macro  e np  MIP1  0  0,748  0,105  0,643  0,010  MIP2  0  0,581  0,108  0,473  0,010  MIP3  0  0,452  0,110  0,342  0,010  MIP4  0  0,378  0,175  0,203  0,106  MIP8  4  0,771  0,254  0,517  0,049  MIP9  4  0,417  0,196  0,221  0,032  MIP10  4  0,508  0,223  0,285  0,063  Analisando a curva e =0,378 da Figura 5.13 (relativa ao menor valor do índice total de vazios), conclui-se que teve um comportamento de descarga distinto do s restantes provetes com diferentes e . Enquanto os provetes MIP1, MIP2 e MIP3 apre sentam e dep consistentes, o provete MIP4 apresenta um valor distinto. Esta cara cterística é posteriormente compensada pela quantidade de índices de vazios não penetrada ( e np ). e np influencia de tal forma o provete MIP4, que faz com que apresente valores de e micro maiores que os restantes provetes sob a condição de apresentação de um e dep menor comparativamente a MIP1, MIP2 e MIP3. Este pormenor, apesar de pouco sustentável, pode estar de acordo com as conclusões retiradas no Ponto 5.1.5.1, quando se justif ica as especificidades deste ensaio com a interrupção de canais para o fluxo de mercúrio. Conclui-se, pela análise do Quadro 5.2, que e micro se mantém praticamente constante entre misturas (à exceção do provete MIP4), indicando que a compactação estática dos provetes não afeta a sua micro porosidade. Inversamente, e pela análise do mesmo quadro, conclui-se que a expulsão dos vazios no processo de compactação dá-se pelo decaimento de e macro para os provetes compactados sem cimento. Analisada a evolução das compo nentes da porosidade em função do índice de vazios de compactação do solo sem cimento, mantém-se a intenção de verificar se as conclusões retiradas são transversais ao aumento de c . A Figura 5.14 apresenta as variações de e micro e e macro em função do índice de vazios total em provetes com c =4%. Na figura estão também representados e dep para c =4% e c =0%. Capítulo 5. Ensaios especiais (MIP, WP4 e FESEM) 253 Figura 5.14 – Macro e micr o porosida des em função d o índice de v azios ( c =4%). Antagonicamente às constatações efetuadas p ara os provetes com c =0%, e micro varia pouco até para os provetes mais compactados (com e total mais baixo). Os valores de mercúrio não penetrado, mantêm-se relativamente constantes em tensões de 200MPa, o que faz com que a relação e / e p seja estável também. Com efeito, a teoria formulada acerca da impo sição de e e suas implicações em e macro sai reforçada. Fortalece també m o carácter de resultado aberrante do provete MIP4 do Quadro 5.2, relativamente à sua e micro . A falta de repre sentatividade amostral, resultado das pequenas dimensões do s provetes, pode ser também uma das causas para alguns dos ensaios MIP menos consist entes. 5.1.5.5 Macro e micro porosidade em função do teor em cimento Na avaliação entre a micro e macro porosidad e em função do teor em cimento, utilizou-se o pacote completo de ensaios realizados. A análise em banda (provetes com as mesmas características à exceção de uma) permite uma melhor interpretação dos resultados, principalmente em valores tão instáveis como a definição de e micro e e macro . Esta análise pretende também eliminar os efeitos da falta de represen tatividade de amostras tão pequenas comparativamente com o diâmetro máximo das partículas existentes no seu interior. O Quadro 5.3 ilustra os valores de e micro e e mac ro estimados para cada um dos provetes, em função das suas caract erísticas geotécnicas. Como na presente investigação a compactação é Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 260 a) b) Figura 5.18 – Provete ma is cápsul a do ensai o WP4: a) isol amento do exterior; b) m oment o antes do ens aio. Após duas medições consecutivas, o provet e foi secado ou humedecido e novamente colocado em isolamento por mais 24 horas at é à medição seguinte. A SWCC é conhecida por apresentar não raras vezes trajetórias de secagem e humedecimento não colineares. Com efeito, após a primeira medição iniciou-se um ciclo de molhagem. O aumento de w foi conseguido através da adição de uma gota de água destilada, com o recurso a uma seringa, seguida do isolamento da cápsula e período de estabilização. Quando os resultados do equipamento WP4 apresentaram sucções inferiores a 0,1MPa fechou- se o ciclo de molhagem e deu-se início ao ciclo de secagem. A remoção da água foi conseguid a através da exposição ao ar por períodos de tempo variáveis (entre 5 a 60 minutos). Para os estados mais secos do provete, a secagem foi coadjuvada por uma estufa a 40ºC. O final do ciclo de secagem foi assinalado com níveis de sucção superiores a 200MPa. Após a aferição desses níveis iniciou-se novamente o ciclo de molhagem até atingir sucções pr óximas dos valores iniciais (valores de compactação). Imediatamente antes da introdução, e depois d a remoção do provete do equipamento WP4, as amostras foram pesadas. Conhecido o peso seco da amostra (medido no final do ciclo de secagem) é possível determinar w para todas as medições de s efetuadas. O teor em água considerado correspondeu à média aritmética das mediçõe s efetuadas nos instantes citados. Capítulo 5. Ensaios especiais (MIP, WP4 e FESEM) 261 5.2.4 Tratamento e análise de resultados No ponto que agora se inicia é realizada uma abordagem sistemática às curvas de retenção obtidas pelo ensaio WP4 para diferentes teores em cimento e tempo de cura. Tal como referido no Ponto 5.1, e de acordo com Romero et al. (2011), para altas sucções, a sensibilidade da SWCC ao índice de vazios é diminuta, resultando numa análise negligenciável sob o ponto de vista geotécnico. Para os ensaios com o psicrómetro de ponto de orvalho (WP4) foram utilizados 9 provetes. A primeira aproximação consistiu na moldagem de um provete representativo de cada uma das misturas analisadas durante a investigação. C onsequentemente, o Quadro 5.4 apresenta, nas cinco primeiras posições, as misturas citadas. As restantes posições são alvo de avaliação da sua variação em função do tempo de cura. Quadro 5.4 – Principa is características dos provete s utilizad os na anál ise WP4. Provete  c  (%)  Dias  de  cura  e  G s  ρ d  (kg/m 3 ) WP4_1  0  28  0,594  2,720  1706  WP4_2  2,00  28  0,604  2,727  1700  WP4_3  4,00  28  0,753  2,735  1560  WP4_4  5,00  28  0,585  2,738  1727  WP4_5  7,00  28  0,649  2,745  1665  WP4_6  4,00  1  0,753  2,735  1560  WP4_7  4,00  7  0,753  2,735  1560  WP4_8  4,00  1  0,732  2,735  1579  WP4_9  4,00  7  0,732  2,735  1579  Como as amostras aqui ensaiadas, juntamente com as do ensaio MIP, possuem pequenas dimensões, o seu peso, durante todas as fases do ensaio, é medido com sensibilidades de ±0,0001gf numa balança inserida num compartimento com temperatura controlada e protegida de diferenciais de pressão. A menor variabilidade da SWCC com o índice d e vazios para altas sucções (>2MPa) influenciou a escolha dos provetes apresentados no Quadro 5.4. Enquanto para o ensaio MIP foi necessário estabelecer um campo de curvas de retenção, para os ensaios com o WP4, foi suficiente a realização de um ensaio por mistura, reduzindo substancialmente o número de provetes apresentados no Quadro 4.9. À semelhança do ensaio MIP, os resultados aqui apresentados são também integrados com o programa experimental do Capítulo 7. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 262 5.2.4.1 Curva de retenção em função do teor em cim ento Na descrição dos procedimentos de ensaio (Ponto 5.2.3) foi referida a análise de um ciclo de secagem seguido de um ciclo de molhagem. As SWCCs determinadas a partir do ensaio MIP referem-se exclusivamente a ciclos de secagem na fase de intrusão de mercúrio. Com efeito, os ciclos de secagem, calculados a partir do ensai o WP4, funcionam como um complemento a altas sucções das curvas de retenção calculadas na fase de intrusão do ensaio MIP. Tal co mo anteriormente referido, o equipamento WP4 cobre uma ga ma de sucções que se inicia 2MPa e se estende até 60MPa. Já as SWCCs aferidas pelo equipamento MIP cobrem uma gama d e sucções entre aproximadamente 1kPa e 1MPa. Como a curva de retenção para altas sucções não é sensível a e (Romero et al., 2011), a abordagem que se propõe pode ser realizada pa ra índices de vazios distintos. Os provetes utilizados na análise da s variações das curvas de retenção em função do teor em cimento foram WP4_1, WP4_2, WP4_3, WP4_4 e WP4_5. A Figura 5.19 ilustra os ciclos de secagem calculados em função dos provetes. Figura 5.19 – Variação das curvas de retenção em função de c em ciclo de s ecagem. Denota-se como evidente a influência do teor em cimento na curva de retenção dos provetes ensaiados. Existe um assinalável aumento de capacidade do solo em reter a água com o aumento do teor em cimento. No entanto, a taxa de influência vai perdendo cadência para os valores de c mais elevados. O ganho de sucção é notável para c =2% (WP4_2) face ao provete Capítulo 5. Ensaios especiais (MIP, WP4 e FESEM) 263 com c =0% (WP4_1), po rém, as diferenças da capacidade de retenção em ciclos de secagem dos provetes WP4_4 e WP4_5 são já dif icilmente diferenciáveis. A mesma análise é efetuada na Figura 5.20 para os mesmos provetes em condições de molhagem. Figura 5.20 – Variação das curvas de retenção em função de c em ciclo de molhagem. Apesar de se verificarem essencialmente as mesmas características r eferidas para os ciclos de secagem, os ciclos de molhagem apresentam relativa maior dispersão. Há uma altura em que o provete c =2% (WP4_2) ultrapassa inclusive a c apacidade de retenção dos pr ovetes com maiores teores em cimento. Este facto não é consistente com os restantes resultados dos ensaios e, mais uma vez, coloca em causa os resultados obtidos pelo equipamento WP4 para baixos níveis de s . A Figura 5.21 apresenta os ciclos de molhagem e secagem sobrepostos para os provetes WP4_1 e WP4_5, respeitantes a teores em cimento de 0% e 7%, respetivamente. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 264 Figura 5.21 – Ciclo de s ecagem e mol hagem para os pr ovetes WP 4_1 e WP4_5 ( vide Quadro 5.4). Concomitantemente às observações prestadas anteriormente, verifica-se um aumento acrescido do comportamento hister ético dos ci clos em função do aumento do teor em cimento. Este fenómeno exige uma correção das SWC Cs, que varia em função do tipo de solo e dos autores que a propõem. Como as correções citadas incidem essencialmente nos ciclos de molhagem, e como os mesmos nã o foram objeto de análise durante esta investigação, não foi estudada a adequação de cada método aos resultados obtidos. Permanece a apresentação dos resultados para uma futura análise mais detalh ada. 5.2.4.2 Curva de retenção em função do tempo de cura O estudo da evolução da curva d e retenção em função do tempo de cura possui algumas especificidades devido às características dos procedimentos de ensaio. Cada ponto de medição (v.g. Figura 5.21) representa um período de 24 horas de estabilização. Com efeito, se o objeto de estudo for a curva de retenção para um di a de cura, apenas o primeiro ponto adquirido perfaz as condições exigidas. Tendo em consideração qu e a análise completa de um ciclo de secagem/molhagem corresponde a aproximadament e 30 pontos adquiridos, o estudo da curva de retenção inicia-se para um determinado período de cura e termina com outro bastante diferente. Esta diferença, entre o estado inicial e final, é tã o mais gravosa quanto menor for o tempo de cura inicial onde é realiza da a primeira medição. Capítulo 5. Ensaios especiais (MIP, WP4 e FESEM) 265 Optou-se por organizar dois grupos de prov etes com os mesmos tempos de cura mas ensaiados com velocidades diferentes. Os provetes WP4_6 e WP4_7 possuem 1 e 7 dias de cura na medição inicial, respetivamente, e foram ensaiados em condições normais (um ponto de medição por dia). Por outro lado, os provet es WP4_8 e WP4_9 possuem na mesma 1 e 7 dias de cura na medição inicial, respetivamente, mas foram ensaiados através de 5 a 6 medições diárias. Enquanto o primeiro grupo de provetes encerra grandes incon sistências no tempo de cura, os resultados do segundo grupo podem ser criticados p ela ausência de período de estabilização/uniformização da humidade relativa por todo o infinitésimo de volume da amostra. A Figura 5.22 ilustra os resultados conseguidos pela análise descrita. Figura 5.22 – Ciclo de s ecagem e mol hagem para os pr ovetes WP 4_6 a WP4_9 ( vide Quadro 5.4). Infelizmente, os resulta dos apresentados na Figura 5.22 não permitem retirar conclusões sustentadas acerca da variação da SWCCs em altas sucções em função do tempo de cura. No entanto, a constatação da menor capacidade de reter água dos provetes WP4_8 e WP4_9 sugere que o segundo método, escolhido para a intentada análise, é portador de melhores resultados. 5.2.4.3 Sobreposição das curvas de retenção entre os e nsaios MIP e WP4 Tal como diversas vezes referido, os ensaios MIP cobrem uma gama de sucção compreendida entre 1kPa e 1000kPa. Por sua vez, os ensaios realizados com o recurso ao psicrómetro de Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 266 ponto de orvalho (WP4) estão inseridos na gama de sucções [2MPa; 60MPa]. Com efeito, existe uma banda de sucções que não pode ser analisada com as técnicas referidas (1MPa e 2MPa). Cardoso et al. (2007) referem que o leque de sucções em falt a pode ser diretamente interpolado. A interpolação e respetiva posição na curva de retenção servem, não só para reconstruir a SWCC, como também para validar os resultados obtido s através do ensaio MIP. As dimensões dos provetes, impostas pelo equipamento, resultam muitas vezes na imposição de falta de representatividade nas amostras pelo seu tam anho reduzido. Se for graficamente detetada uma boa continuidade da curva entre ambos equipamentos (MIP e WP4), estão parcialmente resolvidas as dúvidas acerca da correspondência da amostra utilizada às condições reais do solo (provetes). A Figura 5.23 ilustra as curvas de retenção par a cada mistura, obtidas pelas técnicas descritas e a zona de interpolação para um período de cur a de 28 dias. Capítulo 5. Ensaios especiais (MIP, WP4 e FESEM) 267 a) b) c) d) e) Figura 5.23 – Curvas de retenç ão sobrep ostas para o s diferentes teor es em cim ento: a) c =0%; b) c =2%; c) c =4% ; d) c =5%; e) c =7%. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 268 A continuidade entre os segmentos lineares-logarítmicos das curvas apresentada s na Figura 5.23 é a resposta parcial às dúvidas relativas à representatividade dos provetes do ensaio MIP. Como para todos os casos da Figura 5.23 é possível desenhar uma interpolação de uma função suave ( non stiff function ), constata-se um bom complemento entre as duas técnicas de apuramento das curvas de sucção (SWCC). 5 5 . . 3 3 M M i i c c r r o o s s c c o o p p i i a a e e d d i i g g i i t t a a l l i i z z a a ç ç ã ã o o p p o o r r e e m m i i s s s s ã ã o o d d e e c c a a m m p p o o d d e e e e l l e e t t r r õ õ e e s s ( ( F F E E S S E E M M ) ) 5.3.1 Objetivos do ensaio A visualização de determinado fenómeno representa grande parte da prova da sua existência. Relativamente à mecânica dos solos, as primeiras teorias do estado residual das argilas, apontavam para um alinhamento d e partículas no plano de corte para justificar a diminuição de resistência após o estado último. Apenas anos ma is tarde, com o desenvolvimento tecnológico, os pressupostos conjeturados foram sustentado s através da visualização do plano de corte com superfície laminar. Apenas com o r ecurso à microscopia foi possível verificar visualmente as considerações consagradas nos dia s de hoje (Atkinson, 2008). A incorporação da análise de imagem por campo de eletrões na dissert ação tem como objetivo verificar visualmente o comportamento do es queleto sólido do solo-cimento na alteração de uma das variáveis em estudo, preferencialment e mantendo todas as restantes constantes. As três variáveis-chave são o índice de vazios ( e ), o teor em cimento ( c ) e o teor em água ( w ). Infelizmente, para a correta aplicação do micr oscópio utilizado exig e-se que as amostras estejam completamente secas, não sendo po r isso possível o estudo imagético e altamente ampliado das alterações que a mudança de w provoca na estrutura do solo. Adicionalmente ao estudo de c e e , f oi anexado o estudo da microestrutura em função do tempo de cura. Finalmente, o estudo da imagem por campo de eletrões é complementado com a análise de provetes semelhantes, submetidos a ensaios de compressão sob estado de tensão isotrópico e anisotrópico , revelando interessantes conclusões. 5.3.2 Princípios da técnica e descrição do equipamento A microscopia por emissão de campo de eletrões (FESEM) é uma das mais recentes técnicas de análise qualitativa dos arranjos e agregações de partículas (Ro mero & Simms, 2008). FESEM é um tipo especial de microscópio de varrimento de eletrões que não necessita de Capítulo 5. Ensaios especiais (MIP, WP4 e FESEM) 269 recobrimento de provetes com material condutor, o que em teoria permitiria o va rrimento de provetes em condições não-secas. No entan to, a utilização de re cobrimentos condutores permite uma maior ampliação e possibilita imagens como as que são ilustradas neste pon to. Apesar desta limitação, o FESEM representa um grande avanço face ao convencional SEM. A Figura 5.24 ilustra a secção transversal do equipamento utilizado. Figura 5.24 – Secção trans versal esque mática de um equipam ento FESEM (Dan ilatos, 19 93). Como pode ser observado na Figura 5.24, a célula do provete está a u ma pressão ligeiramente superior (pressão atmosférica mais 3kPa) e é separada dos restantes compartimentos em vácuo. É esperado que o vácuo se difunda de um ní vel para o outro através de pequenos orifícios, permitindo uma pressão de 10 -5 kPa na câmara que acolhe as a mostras. O FESEM está equipado com um detetor gasos o de eletrões secundário (GSED), para produção de imagens de superfície baseadas no princípio da ionização de gás, permitindo a imagem de materiais não condutores. A descrição comple ta e aprofundada do equipamento pode ser encontrada em Romero & Simms (2008). 5.3.3 Preparação dos provetes Para o ensaio FESEM foram preparados provetes utilizando a mesma técnica dos ensaios MIP ( vide 5.1.2). Houve uma ligeira diferença relativamente à análise da microestrutura após as compressões aniso e isotrópicas. Os provetes visados foram diretamente talhados de outros Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 276 Como resultado das análises quantitativas re alizadas, devem ser observadas tendências qualitativas que apontem no mesmo sentido. A Figura 5.26 apresenta a seleção de imagens que melhor traduz a microestrutura da areia silto s a sem cimento. a) b) Figura 5.26 – Imagem FESEM d o solo sem cime nto: a) micas e c aulinite de positadas num grão de quartz o; b) pormenor de cauli nite deposit ada num gr ão de mica. Capítulo 5. Ensaios especiais (MIP, WP4 e FESEM) 277 A definição mineralógica é conseguida através de um processo de identificação de frequência de radiação após a incidência de eletrões (e.g. FT) que resultam em espectros como o apresentado na Figura 5.27. Figura 5.27 – Espectro mineralógico de uma tran sformada a um a imagem FESEM tipificada. Através de publicações consagradas na litera tura (e.g. Swayze & Cl ark, 1995), é exequível estabelecer correlações entre os minerais e os elementos químicos apresentados na Figura 5.27. A Figura 5.26b denota partículas de muito pequenas dimensões (caulinite), que tendem a ser confundidas com as, também pequenas, partículas de cimento. A visualização da Figura 5.28 permite a distinção entre os grãos mais pequenos quando comparada à Figura 5.26b. Figura 5.28 – Pormenor m uito ampli ado d e um provet e de solo-c imento. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 278 A ampliação de 30000 vezes aplicada à Figura 5.28 não permite uma grande resolução, mas possibilita a perceção do efeito do cimento na porosidade. Pode ser observada, no canto superior direito da Figura 5.28, a existência de um padrão de poros não verificado na Figura 5.26, caracterizado por uma espécie de “fitas” achatadas, dispostas de uma forma aparentemente aleatória, umas em cima das outras. Essa família, nasce não só pela adição de cimento, como também dos 28 dias de cura. Desta forma, o incremento de micro porosidade face aos provetes sem cimento é também justificado. Dispondo várias imagens para diferentes teores em cimento procuraram-se indícios do aumento linear da densidade da nova família (“fitas”) de poros identificada. A Figura 5.29 mostra a evolução da microestrutura do solo-cimento em função do aumento de c e para ampliaçõe s relativamente próximas entre as diversas imagens. a) b) c) d) Figura 5.29 – Evolução da microestrutura em função de c : a) c =2%; b) c =4 %; c) c =5% ; d) c =7 % . Capítulo 5. Ensaios especiais (MIP, WP4 e FESEM) 279 A diferença na microestrutura dos provetes com c variando entre [4%; 7%] é bem demarcada. Verifica-se um aumento da família de partículas (“fitas”), assumidas como cimento, identificada na Figura 5.28, em função da quantidade de cimento no interior do solo. Inversamente, o provete MIP5 ( c =2%, Figura 5.29a) aparenta níveis de cimentação semelhantes às do provete MIP14 ( c =7%, Figura 5.29d). Este fenómeno pode ser justificado pela elevada dispersão da concentração do cimento. Enquanto os provetes com c = 4%, 5%, e 7% se encontram numa zona de depósito semelhante, o pr ovete c =2% permanece numa zona de depósito do cimento privilegiada. Amaral et al. (2012a), através das suas análises microscópicas por S EM, refere m que o cimento deposita-se preferencialmente nas zonas fronteiriças do s grãos de quartzo. Esta constatação explica portanto algumas das inconsistências qualitativas p atenteadas pela Figura 5.29. Concluindo o presente ponto, não pode ser reconhecida por imagem a variação linear da micro porosidade em função de c , mas pode ser provada a influê ncia direta da quantidade de cimento na microestrutura do solo. 5.3.5.2 Variação com o índice de vazios Da análise efetuada no Ponto 5.1.5.1, retira-se como principal conclusão que a redução do índice de vazios através de uma variação do estado de tensão influi direta e unicamente no índice de vazios macro ( e macro ). Adicionalmente, ficou provado que a redução de e f az com que a PSD do solo-cimento caminhe progressivamente para uma distribuição de poros monomodal. Por sua vez, concluiu-se no Ponto 5.1.5.4 que existe alguma influência do cimento no índice de vazios não penetrado ( e np ) que, por limitação do equipa mento e tecnologia, não pôde ser verificada em imagem. Esta consideração remete a análise da variação imagética, em função da evolução de e , exclusivamente para as porosidades maiores, não sendo necessárias grandes ampliações para a efetuar. As implicações microestruturais do índice de vazios foram estudadas recorrendo aos provetes MIP11, MIP12 e MIP13, que possuem teores e m cimento e períodos de cura idênticos. Por se tratar de ampliações de imagem comuns, o simples estudo da correspondência entre as PSDs e as famílias de poros dominantes ( vide Figura 5.25) é suficiente para validar as considerações efetuadas quer no Ponto 5.1.5.1, como no Ponto 5.1.5.4. A análise da Figura 5.25 permite conluir a existência de uma relação indissociável entre e macro e e , o que corrobora uma vez mais a justificação da apelidada zona de transição apresentada nos pontos supracitados. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 280 5.3.5.3 Variação com o tempo de cura Como já referido diversas vezes ao longo desta dissertação, a análise detalhada dos efeitos mecânicos no solo-cimento em função do tempo de cura sai fora do â mbito da investigação. No entanto, como foram encontrados indícios de q ue se pode isolar esta variável-chave, algumas considerações sobre o tema são aqui apresenta das. As conclusões retiradas no Ponto 5.1.5.3 apontam para uma influência do tempo de cura na microestrutura semelhante à influência do au mento da quantidade de cimento e por isso são necessários procedimentos semelhantes aos apresentados no Ponto 5.3.5.1. Foram escolhidos os provetes MIP14, MIP17 e MIP18, que possuem e e c semelhantes. O teor em cimento de 7% ajuda ao melhor discernimento visual da influência do tempo de cura na microestrutura do solo. No Ponto 5.1.5.6 concluiu-se que al guns dos desv ios apresentados nas trajetórias dos provetes com diferentes dias de cura se devem essencialmente às porções e np , que variam com c e, consequentemente, com o tempo de cura. À semelhança do que foi descrito no Ponto 5.3.5.2, esta circunstância não pode ser visu almente ve rificada com recurso ao F ESEM por limitação do equipamento e tecnologia. Procura-se no estudo de imagem por campo de eletrões encontrar vestígios micr oscópicos do processo de cura que permitam realizar análises mais detalhadas. A Figura 5.30 apresenta uma forte ampliação de pormenores que subentendem a presença de cimento nos diferentes estados de cura. Capítulo 5. Ensaios especiais (MIP, WP4 e FESEM) 281 a) b) Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 282 c) Figura 5.30 – Evolução da microestr utura em funçã o do tempo de c ura: a) 1 dia; b) 7 dias; c) 28 dias. A Figura 5.30 evidencia três aspetos importantes:  Há uma clara evolução da matriz microestrutural do solo-cimento em função do tempo de cura;  A evolução da matriz microestrutural do solo-cimento acarreta um aumento da micro porosidade;  O processo de cura dá-se principalmente nos contactos entr e partículas. Em relação à primeira observação supra listada, a Figura 5.30 demonstra que as partículas de cimento recém-hidratadas tendem a sofrer o processo de cura acopladas a outros grãos de cimento previamente hidratados. Quando uma par tícula de cimento encontra água, sofre um aumento de volume e ganha rigidez. Esse a umento de volume apenas é constatado pela pulverização das partículas hidratadas, uma vez que se r evela difícil a localização de um grão de cimento isolado antes de hidratar. Por outro lado, comparando a Figura 5.26 com a Figura 5.30a, é possível identificar um produto da hidratação do cimento simplificadamente apelidado de “grão de cimento hidratado” ( vide Figura 5.30a). Relativamente à segunda observação, a tendência da evolução da micro porosidade com o tempo de cura é também estudada com recurso ao ensaio MIP ( vide Ponto 5.1.5.3), fica bem Capítulo 5. Ensaios especiais (MIP, WP4 e FESEM) 283 sustentada pela sequência da Figura 5.30. O aumento de volume e de resistência que o cimento tem após a hidratação não permite a reorganização das partículas. Adicionalmente, a sua orientação aleatória e isotrópica gera matrizes finas de esqueleto sólido muito poroso ( vide Figura 5.30b). Consequentemente, a translação proposta entre as Eqs. (5.13) e (5.14), que explicam a evolução da micro porosidade em função da quantidade de cimento, mantém-se justificada pelo fenómeno de cura. O fenómeno associado ao processo de cura verifica-se principalmente junto aos contactos entre partículas e pode ser explicado pela cura dos provetes em condições não saturadas. Tal como comentado no Ponto 5.1.2, os provetes perm anecem ambientalmente isolados durante 28 dias com um w equivalente ao teor em água ótimo do ensaio Proctor Modificado ( w op t ). Devido às tensões no diafragma contrátil e consequente f ormação de meniscos, a maior part e da água no interior dos provetes encontra-se nas ligaçõe s entre partículas. Com efeito, apenas o cimento que se encontra na proximidade da água (v.g. ligações interpartículas) tem a possibilidade de hidratar, dando oportunidade à formação da matriz identifica da na Figura 5.30c. 5.3.5.4 Imagem antes e depois de uma compressão uniaxial A avaliação visual aprofundada de um provete antes e depois de ser submetido à compressão uniaxial sai fora do âmbito da dissertação. No entanto, expõe m-se algumas imagens de carácter relevante. São esperadas fortes modificaçõe s na orientação das partículas de um provete depois de o mesmo ser submetido à compressão uniaxial. Adicionalmente, a verificação dest e comportamento reforça as conclusões retirada s através da análise efetuada com o e quipamento FESEM. Um objetivo adicional consiste na identi ficaçã o de direções preferenciais de fissuras e respetiva localização. A Figura 5. 31 apresenta imagens de um provete com c =2% antes e depois de um carregamento uniaxial. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 284 a) b) Capítulo 5. Ensaios especiais (MIP, WP4 e FESEM) 285 c) Figura 5.31 – Evolução da microestrutura cau sada por um carregam ento uniaxi al: a) antes do carregamento; b) pormenor após carreg amento; c) dest aque das fiss uras após carre gament o. De facto, a aplicação de uma carga uniaxial num provete de solo-cimento provoca uma reorganização microestrutural das partículas ( vide Figura 5.31b), alinhando-as segund o direções preferenciais. Porém, esse padrão comportamental apenas é detetável recorrendo a ampliações bastante elevadas. Apesar da evidente organização das partículas de forma estratificada, a informação da orientação relativa entre o carregamento e os estratos não foi devidamente identificada. As mesmas conclusões não podem ser efetuadas quando os provetes são analisados macroscopicamente. Apesar da fácil identifica ção de fissuras ( vide Figura 5.31c) resultantes do carregamento, estas não possuem padrões claros de orientação ou localização. Pelo contrário, a Figura 5.31c transmite a sensação que as macrofissuras se propagam com direções aleatórias ao longo do provete. Por outro lado , conclui-se, uma vez mais, que as fissuras se propagam ao longo das fronteiras dos grãos mais graúdos, corroborando com as conclusões apresentadas por Amaral et al. (2012a). Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 292 Figura 6.2 – Por menor das alteraçõe s efetuad as à câmara triaxi al de alta s pressões do LabGe o (tubo e furos). O pedestal e topo ( vide Figura 6.2), bem como toda a estrutura da célula, estão dimensionados para ensaiar provetes com um máximo de 70mm de diâmetro e 140mm de altura. A câmara triaxial apresentada na Figura 6.1 está ainda equipada com uma célula de carga submersível até 10MPa ( σ c ), com uma capacidade de carga axial máxima de 100kN. A pressão no interior da célula (CP) é controlada pelo GDS ® apresentado na Figura 6.1b. Por sua vez, a pressão de água no int erior do provete (BP) é acionada pelo compressor de ar instalado no LabGeo (pressão máxima de 750kPa) ligado em paralelo com uma interface ar-água e um medidor de volume de p asso reversível com 100ml de capacidade ( vide Figura 6.3a). Para obter leituras de pressão fid edignas, em cada ligação da câmara triaxial ao exterior foi instalado em série um transdutor de pressão ( vide Figura 6.3b), com capacidade de monitorização de pressões até 10MPa. Relativamente à monit orização das deformações, este equipamento permite a instalação de 2 LVDTs axiais internos e 1 LVDT radial interno ( vide Figura 6.3c), com capacidade de deteção de movimentos absolutos até 10mm e 1 LVDT externo ( vide Figura 6.3b) com uma gama de 25mm. Capítulo 6. Ensaios triaxiais monotónicos saturados de altas pressões 293 a) b) c) Figura 6.3 – Instru mentaç ão associad a à câmara tri axial de altas pressões do LabG eo: a) medid or de variaç ão de volume; b) tran sdutor de pr essão e d esloca mento ext erno; c) LVDT a xial e ra dial inter no. A prensa que suporta o atuador é constituída por uma base, duas colunas roscadas na parte superior e um travão superior móvel que permite ajustar a sua posição através de um conjunto de porcas de ajuste. No travão superior móvel está montado um se rvo atuador de 10kN, com dimensõe s principais 40×22mm 2 e 50mm de curso, previsto para a realização de ensaios cíclicos. Para os ensaios monotónicos apresentados neste capítulo ut ilizou-se um servo atuador de 100kN montado na base da prensa, com dimensões principais 80×56mm 2 e 50mm de curso. Ambos os servo atuadores estão equipados com transdutores d e deslocamento magnetostrictivos MTS ® série GH montados no seu interior e células de carga (de compressão e submersível no caso do atuador de 10kN e de tração/compressão no caso do atuador de 100kN). Existem ainda dois outros servo atuadores “especiais” que aplicam pressão em CP e BP. Trata- se de um tipo de bomba de água servo coma ndada onde existe um atuador hidráulico como elemento motor que pressuriza uma câmara de água à pressão programada, inclu i ndo solicitações cíclicas. Este atuador hidráulico é simétrico, tem dimensões principais 40×22mm 2 , 100mm de curso e o feedback de pressão é proveniente de um transdutor de pressão localizado na base da câmara triaxial associado à respetiva grandeza a ser controlada (CP ou Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 294 BP). Em ambos os casos, o sistem a permite a pressurização até um máximo de 800kPa. No entanto, como estes servo atuadores não fora m utilizados, não é estendida a sua descrição. A central hidráulica é baseada numa solução d e bomba de êmbolos axiais de cilindrada variável e é controlada através do comando com putorizado de sde que devidamente ligado a uma alimentação trifásica adequada. O computador de controlo DualCore ® possui uma placa gráfica adequada para suportar DirectX9 ® e duas cartas PCI de controlo e aquisição de dados. A aplicação de controlo do sistema é o software Dynatester ® a operar em WindowsX P ® e está configurado para as especificidades do sistem a e m termos de hardware . Existe um total de 32 canais de aquisição a 16bit, dos quais 8 estã o reservados para o funcionamento base do sistema. Em cada servo atuador estão disponíveis duas fichas de ligação de sete pinos par a transdutores externos adicionais, onde apenas devem ser ligados sinais previamente amplificados em tensão (±10VDC, ±5VDC, 0-10VDC, 0-5VDC, …) e alimentados a 24VDC. A ficha disponibiliza a alimentação em 24VDC. As ligações das fichas Binder de sete pinos podem ser confirmadas em Amaral (2010). Um conjunto de 16 canais de aquisição está disponível no quadro elétrico de int erface numa ficha do tipo Sub-D de 25 pinos. Novamente, os sinais de transdutores compatíveis devem ser previamente amplificados (10VDC, ±5VDC, 0-10VDC, 0-5VDC, …) e alimentados eletronicamente por uma fonte exterior. O quadro elétrico dispõe de um botão de emergência que permite parar o equipamento em caso de perigo iminente. 6 6 . . 3 3 C C o o l l o o c c a a ç ç ã ã o o d d a a c c e e n n t t r r a a l l h h i i d d r r á á u u l l i i c c a a e e m m f f u u n n c c i i o o n n a a m m e e n n t t o o Durante a investigação foram perdidos ensai os devido à incorreta colocação da central hidráulica em funcionamento. Para minimizar semelhantes eventos futuros apresentam-se, no que se segue, algumas instruções sobre a correta ativação da central responsável pelo funcionamento dos atuadores. Para tal, devem ser observadas as seguintes condições:  A central hidráulica é fornecida com óleo hidráulico; Numa situação normal de operação, a central deve conter óleo até, pelo menos, metade do indicador visual que se encontra no respetivo depósito; O óleo a utilizar deve ser adequado para circuitos hidráulico s e do tipo ISO VG32; Capítulo 6. Ensaios triaxiais monotónicos saturados de altas pressões 295  Adicionalmente, o estado e correta ligação das mangueiras hidráulica s e das cablagens elétricas de potência e comando devem ser verificados;  Os cabos elétricos existentes no quadro elétrico de interf ace, sentido de rotação do motor, especificidades de refrigeração e pressão de trabalho são descritos por Am aral (2010);  Para a obtenção de resultados e stáveis, é adequado proceder ao arranque do sistema cerca de 15 minutos antes de realizar q uaisquer ensaios; Isto permitirá uma estabilização da temperatura de todos os co mponentes eletrónicos e do óleo do circuito hidráulico minimizando pequenas flutuações, o bviamente indesejadas;  Para evitar perigo de dano estrutural na central hidráulica, a mesma não deve ser acionada sem que primeiramente seja aberto o canal de fluido que permite a refrigeração do equipamento. Dada a dependência de todo o sistema de ensaio face ao seu computador de comando, este deverá manter-se dedicado apenas a essa tarefa e não ser utilizado p ara instalação de outro software ou realização de outras tarefas em simultâneo com o decorrer dos ensaios. Não devem ser instalados quaisquer dispositivos se m consulta prévia, pois poderão desconfigurar as cartas de comando e aquisição q ue se encontram instaladas no computador (e.g. drives de DVD, pen-d rives , impressoras ou outros dispositivos com ligações USB). Adicionalmente, o software Dynatester ® deve ser operado em modo offline para que não seja m solicitadas atualizações que possam comprometer o regular funcionamento do programa e aquisição de dados. Outras especificações, não menos importantes, acerca dos costumes de colocação em funcionamento no âmbito geotécnico estão descritas abaixo nos procedimentos de ensaio. 6 6 . . 4 4 P P r r o o g g r r a a m m a a e e x x p p e e r r i i m m e e n n t t a a l l 6.4.1 Definição O programa de ensaios foi pensado com o objetivo de caracterizar a envolvente de resistência em estado crítico dos provetes de solo-cimen to analisados ao longo da investigação. Rios (2011) divide as suas misturas com base no binómio vazios/cimento apresentado po r Consoli et al. (2005, 2007) e expõem-nas segundo o Quadro 6.1. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 296 Quadro 6.1 – Aplic ação da normalizaçã o η /( V c / V t ) 0,21 aos provetes util izados p or Rios (2011). Designação  do  provete  Teor  em  cimento,  c  (%)  Índice  de  vazios,  e  Rácio  vazios/cimento  (Consoli  et  al.,  2005)  CV(2)  2,00  0,60  36  CV(4)  4,00  0,75  36  CV(5)  5,00  0,60  29  CV(7)  7,00  0,65  29  O mesmo autor constata que os provetes com índices semelhantes [ η /( V c / V t ) 0,21 ] tendem para a mesma NCL quando comprimidos isotropicamente como prova a Figura 6.4. Figura 6.4 – Ens aio isotr ópicos n as mist uras de solo-c iment o (adapt ado de Rios, 2011). Rios (2011) analisa ai nda a possibilidade de provetes com índices semelhantes, quando carregados monotonicamente, convergirem para a mesma CSL. Os resultados apresentados por Rios (2011) parecem indicar qu e o índice de Consoli et al. (2005, 2007) se aplica também à posição da CSL, no entanto, subsistem ainda algumas dúvidas relativamente à existência de uma única CSL ( vide Figura 6.5). Se para alta s pressões, a CSL parece ser única para um dado valor do rácio, isso não se verificou em baixas pressões. Po r outro lado, em baixas pressões a CSL apresenta um men or declive do que em altas pressões indicando que, possivelmente, em escala logarítmica a CSL apresentará uma lei bilinear. Capítulo 6. Ensaios triaxiais monotónicos saturados de altas pressões 297 a) b) Figura 6.5 – Ens aios de c ompressão tria xial monot ónicos nos pr ovetes de s olo-cimento: a) η /( V c / V t ) 0,21 =36; b) η /( V c / V t ) 0,21 =29 (adap tado de Rios, 2011). Aplicando aos seus dados experimentais uma forma de normalização (através da NCL) semelhante à usada no modelo apresentado por Coop & Airey (2003), Rios (2011) verifica que não possui dados suficientes para fechar a sup erfície de cedência ( vide Figura 6.6). Figura 6.6 – R esultados d os ensaios de corte dos pr ovetes η /( V c / V t ) 0,21 =29 norma lizados para a NC L do solo s em cimento (Ri os, 2011). Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 298 Pela análise da Figura 6.6 é possível verificar que provetes com η /( V c / V t ) 0,21 análogo seguem trajetórias bastante semelhantes para as mesmas tensõ es efetivas de confinamento ( σ ’ c ). No entanto, dos trabalhos de Rios (2011) ficam por aprofundar as seguinte s questões:  Estudo da mistura η /( V c / V t ) 0,21 =36 para as mesmas condições apresentadas para a mistura η /( V c / V t ) 0,21 =29;  Definição correta das envolventes de rotura para os diferentes η /( V c / V t ) 0,21 ;  Confirmação da unicidade da CSL em função de η /( V c / V t ) 0,21 ;  Verificação da independência da CSL com o teor em cimento e índice de vazios inicia l. Adicionalmente, Coop & Airey (2003) apresentam quatro tipos de níveis de tensão média efetiva ( p’ ), no início da fase de corte, para aplicação do seu modelo e que podem ser simplificados pela seguinte listagem:  Tipo I – p’ bastante abaixo da pressão de pré-consolidação aparente ( p’ y );  Tipo II – p’ imediatamente antes de p’ y ;  Tipo III – p’ imediatamente após de p’y ;  Tipo IV – p’ bastante acima de p’ y ; As misturas com diferentes rácios po ssuem também diferentes NCL e p’y . Para responder aos pressupostos d o modelo apresentado por Coop & Airey (2003), Rios (2011) estabelece o programa experimental apresentado no Quadro 6.2. Os ensaios que o autor publica estão assinalad os com um “X”. Quadro 6.2 – Programa exper imental real izado por Rios (2011 ). Designação  dos  provetes  Teor  em  cimento  (%)  η /  (V c /V t ) 0,21 Índice  de  vazios,  e  Tipo  de  Ensaio  I  II  III  IV  CV(2)  2,00  36  0,60  X ‐  ‐  X  CV(4)  4,00  0,75  X ‐  ‐  X  CV(5)  5,00  29  0,60  X ‐  X  X  CV(7)  7,00  0,65  X ‐  X  X  Procedendo à análise do Quadro 6.2, observam-se os ensaios em falta no programa experimental traçado por Rios (2011). Com efe ito, a presente dissertação propõe a realização de ensaios tipo II e III nas misturas d e solo-cimento escolhidas de acordo com o Quadro 6.3. As curvas de compressão isotrópicas apresentadas na Figura 6.4 permitem o conhecimento da posição de p’ y . Com efeito, é possível definir um p’ imediatamente antes e depois da pressão Capítulo 6. Ensaios triaxiais monotónicos saturados de altas pressões 299 de pré-consolidação aparente que estabelece a tensão efetiva de consolidação nos ensaio s do tipo II. Estes valores estão apresentados no Quadr o 6.3 em função do tipo de ensaio e provete. Quadro 6.3 – Definiçã o de p’ (kP a) para o iníci o do corte do progr ama experim ental a certado. Designação  dos  provetes  η /  (V c /V t ) 0,21  Pressão  σ ’ c  (kPa)  Tipo  II  Tipo  III  CV(2)  36  2000  9500  CV(4)  2000  9500  CV(5)  29  ‐ ‐ CV(7)  2000 ‐  Salienta-se ainda que pelo programa experimenta l alinhavado (5 ensaios), não é esperada uma boa definição da envolvente de rotura, como seria de esp erar para um plano de ensaios mais alargado. Não obstante, espera-se o cumprimento de todos os restantes objetivos listados neste ponto. O provete CV(5), previsto para a realizaç ão de um e nsaio do tipo II, foi perdido por causa de um dano estrutural na célula de carga. 6.4.2 Preparação dos provetes A preparação dos provetes utilizados para os ensa ios triaxiais monotónicos de altas pressões é similar à dos procedimentos apresentados no Ponto 3.1.4. A prin cipal diferença reside no diâmetro interno do compactador que, por sua vez, influencia as dimensões finais dos provetes. Todos os restantes procedimentos mantiver am-se inalterados e são resumidamente relembrados:  Determinação do teor em água higroscópico do solo no dia anterior à moldagem;  Mistura de água, solo e cimento para um w =12%;  c e w são calculados relativamente ao peso do solo seco;  Homogeneização da mistura seguida da sua divisão em três parcelas;  Compactação estática da mistura em três camadas com res petiva determinação de w da moldagem. O cimento utilizado na mistura é também descrito no Ponto 3.1 (CEM I 52,5 R) e a água utilizada proveio da rede de abastecimento público. Contrariamente às intenções de moldagem apresentadas no Ponto 3.1.4, que visam a compactação de provetes com 100mm de altura e 50mm de diâmetro, os provetes ensaiados neste capítulo foram compactados para 140mm de altura e 70mm de diâmetro. No entanto, os critérios de conformidade e adequabilidade das am ostras mantiveram-s e inalterados. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 300 6.4.3 Correções relativas aos dados brutos Mostram-se, seguidamente, algumas correções de efeitos externos à avaliação das propriedades pretendidas utilizada s por Rios (2011). Co mo o principal objetivo consistiu no estabelecimento de uma correspondência entr e os resultados apresentados pelo autor e a presente dissertação, foram utilizadas as mesmas correções praticadas por Rios (2011). A apresentação exaustiva da aplicabilidade de ca da uma das correções é exposta nos trabalhos do autor. 6.4.3.1 Alteração da área do provete Durante um carregamento, as dimensões iniciais de um provete cilíndrico (altura e diâmetro) vão sendo alteradas em função d a própria carga e necessitam de ser corrigidas (Head, 1982). Segundo Rios (2011), as deformações envolvidas durante a saturação e consolidação são muito pequenas e por isso não necessitam de correção, pois a secção t ransversal dos provetes pode ser arrogada como inalterada. O mesmo não acontece na fase de corte. Quando os provetes são finalmente carregados nas suas três direções tendem a “embarrilar”. Para mitigar este efeito, a área atualizada ( A q , que varia em função de q ) é dada pela seguinte expressão:       1  1   (6.1) . em que: A i é a área inicial do provete. Salienta-se que ε v e ε a apresentados na Eq. (6.1) são valores atualizados. O fenómeno de embarrilamento destes provetes foi observado por Rios (2011), o que resultou na preterição de outros modelos corretivos de A 0 apresenta dos por Head (1982). Por outro lado, quando se dá o de senvolviment o de uma localização de tensões, i.e., de um plano de rotura, Head (1982) sugere que a correção deve ser efetuada à tensão de desvio ( q corr ) e não à área da secção transversal. Este procedimento ( f s ) envolve naturalmente a carga axial aplicada ( P ) e a área atualizada calculada pela Eq. (6.1).         (6.2) . Capítulo 6. Ensaios triaxiais monotónicos saturados de altas pressões 301 f s está relacionado com o ângulo de inclina ç ão do pl ano de localização face a um plano vertical ( θ q ) e é dado que seguinte equação:   1  0 , 0 6     (6.3) . em que: ε f é a deformação axial medida a partir do momento em que se forma a localização. A simplificação apresentada na Eq. (6.3) apenas é valida para θ q compreendidos entre 25º e 35º e para ε f não muito grandes (<15% ). Como Rios (2011) verifica θ q de aproximadamente 27º, espera-se que as condições de aplicabilidade da Eq. (6.3) sejam garantidas na e xistência d e localizações. 6.4.3.2 Efeito de membrana Rios (2011) implementou também uma correção do efeito de tensão d e confinamento adicional, conferido pela membrana que envolve um provete instalado numa célula triaxial. A tensão que a membrana uniformemente exerce depende não só da sua rigidez, como também da própria deformação do provete. Para contornar este fenómeno, Henkel & Gilbert (1952) propõem uma expressão que visa corrigir q em função da membrana durante o embarrilamento do provete exposto nas condições do Ponto 6.4.3.1.       (6.4) . em que: C M é definido pela seguinte equação:    0,4    󰇛 1  󰇜 Ф  (6.5) . em que: M é a rigidez da membrana medida num ensaio de tração simples ao longo do seu eixo longitudinal. De acordo com Head (1982), a correção apresentada na Eq. (6.4) é desnecessária e insignificante na maior parte dos casos. Em consonância com o autor citado, Rios (2011) não efetua as correções para os seus ensaios em provetes de solo-cimento, pois verifica muito pequenas deformações relativamente às resistências aferidas. Com efeito, as mesmas práticas são seguidas neste capítulo. Contudo, existem outras correções dos efeitos de membrana a considerar, como é o caso da resistência adicional qu e esta confere aquando do desenvolvimento de um plano de rotura num Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 308 Quadro 6.5 – Compar ação entre parâmet ros da equaç ão da NCL par a os provetes c om η /( V c / V t ) 0,21 =36. NCL  N  λ Rios  (2011)  2,89  0,154  Figura  6.8  2,85  0,152  A análise do Quadro 6.5 permite concluir uma muito boa reprodutibilidade entre os ensaios de altas pressões realizado s no LabGeo e os realizados no Imperial College London (R ios, 2011). Para efeitos de normalização dos resultados ( infra realizada ) optou-se por manter as equações de Rios (2011), uma vez que estas são definidas para p’ mais elevados resultando numa melhor delimitação das mesmas. Através da Eq. (3.34) foi possível d esenhar a NCL do solo sem cimento. Segundo Coop & Airey (2003), quando um solo estruturado permanece em regime elástico à direita da NCL do solo sem cimento pode concluir-se que possui características fortemente cimentadas ( vide Figura 2.43). Com efeito, a aplicação do modelo de solos estruturados fracamente cimentados, apresentado por Coop (2003) ( vide Figura 2.44), foi abandonada. 6.4.5.2 Trajetórias de com press ão axial em célula triaxia l Rios (2011) apresenta resultados de ensaios de corte ( vide Figura 6.9) com trajetórias de compressão axial que apresentam uma resistência máxima, seguida de amolecimento, que se traduz num aumento da pressão neutra no ensaio não drenado. Capítulo 6. Ensaios triaxiais monotónicos saturados de altas pressões 309 a) b) Figura 6.9 – Traj etórias d e tensão obtid as por Rios (2011): a ) tensão-def ormação a xial; b) pr essão neutra- deformaçã o axial ( Rios, 2011) . As características das t rajetórias subjacentes à Figura 6.9, que indicam a existência de uma resistência de pico seguida de amolecimento dev em-se, segundo Rios (2011), a uma incorreta medição da área do provete, uma vez que a força medida na célula de carga nã o apresentou qualquer pico. A mesma circunstância não foi verificad a nas trajetórias conseguidas pela presente investigação. A Figura 6. 10 apresenta os resultados obtidos para os provetes do Quadro 6.4. Figura 6.10 – Trajetórias te nsão-def ormação dos ensa ios monotónic os de alt as pressõ es. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 310 Ao contrário das observações realizadas para os ensa ios apresentados na Figura 6.9, os provetes ensaiados para pressões de confinamento do tipo III não apresentaram resistência de pico, uma vez que tendo sido consolidados p ara estados correspondentes à NCL estão já parcialmente desestruturados. Adicionalmente, é interessante consta tar que todos os ensaios do tipo II tenderam aproximadament e para a mesma tensão de rotura. Este facto é indicador de uma boa estabilização da força de rotura, ou seja, de uma correta aproximação ao estado crítico do solo. Como seria de esperar, o incremento de cimento conferiu, tal como mostra a Figura 6.10, um aumento da rigidez inicial, que se vai degradando com o aumento das deformações impostas. Por outro lado, não podem ser retiradas as mesm as conclusões para os provetes AP_2%_III e AP_4%_III. As suas trajetórias tensão-deformação caminham de forma dissidente e com uma variação de aproximadamente 3MPa a partir de 0,05 de deformação axial. Dado que ambos foram compactados para o mesmo índice η /( V c / V t ) 0,21 mas possuindo valores distintos, as sua s diferenças podem não ser consistentes com os resultados apresentados por Rios (2011). No entanto, observando o Quadro 6.4, é possível verificar que ambos os provetes possuem um e de compactação muito próximo. Este facto revela um certo aumento do índice η /( V c / V t ) 0,21 para o provete AP_2%_III ( η /( V c / V t ) 0,21 =39) e uma redução do mesmo valor para o provete AP_4%_III ( η /( V c / V t ) 0,21 =36), que pode estar na origem dos diferentes comportamentos observados. A avaliação da evolução da deformação volumétrica em função d e ε a ( vide Figura 6.11) corrobora as observações supra referidas. Figura 6.11 – Trajetórias d eformação v olumétrica -deformaç ão axial dos ensaios m onotónic os de altas pr essões. Capítulo 6. Ensaios triaxiais monotónicos saturados de altas pressões 311 O estudo da Figura 6.11 permitiu situar o estado inicial do provete em relação à linha de estados críticos (CSL). O facto de os provetes não apresentarem qualq uer sinal dilatante traduz a sua posição, ou seja, no lado parcialmente desestruturado à direita da CSL. Paralelamente, constata-se que as trajetórias da Figura 6.11 não estabilizaram completamente as suas deformações volumétricas, não chegando à condição de volume constante. O provete com a deformação mais estabilizada foi o AP_7%_II que, atendendo ao índice η /( V c / V t ) 0,21 =29 (Rios Silva et al., 2009), é o mais resistente. Segundo a expe riência de Rios (2011), apesar das deformações volumétricas não estarem completamente estabilizadas, é possível, com os resultados apresentados, analisar estas misturas de solo-cimento à luz da teoria dos estados críticos. Destaca-se ainda o comportamento do provete AP _2%_II, com uma trajetória algo inesperada. À semelhança da análise efetuada para a Figura 6.10, o excessivo valor obtido de índice de vazios inicial pode estar na origem de algumas das trajetória s menos consistentes. A ausência de uma resistência de pico e a instabilidade nos módulos de deformabilidade detetadas por Rios (2011) remetem a análise da rigidez para um plano secundário. 6.4.5.3 Ângulo de atrito em estado crítico Analisando as trajetórias anteriormente apresentadas, baseadas no círculo de Moh r, semelhantes às apresentações efetuadas por Gasparre (2005), determina-se o declive da reta de rotura ( M ), que está diretamente relacionada com o ângulo de atr ito em estado crítico (  ’ cv ) pela seguinte expressão:  6s i n 󰇛   󰆒 󰇜 3s i n 󰇛   󰆒 󰇜 (6.9) . Efetuando a mesma análise aos seus provetes, Rios (2011) constata que ambas as misturas com os diferentes η /( V c / V t ) 0,21 tendem para o mesmo ângulo de atrito com coesão nula. Observadas as resistências de pico, as misturas carate rizadas por diferentes valores de η /( V c / V t ) 0,21 tendem para alinhamentos bastantes distintos, como mostra a Figura 6.12. Caracteri z açã o e modelação de comportamento dinâmico e cícl ico de misturas de solo-cimento para infraestruturas de transportes 312 Figura 6.12 – Ângulo de atrito de pico e coesão para os diferentes índ ices η /( V c / V t ) 0,21 (Rios, 2011). O mesmo autor constata que, quando analisadas as mesmas grandezas com o solo-cimento em estado crítico, as diferenças entre η /( V c / V t ) 0,21 =29 e η /( V c / V t ) 0,21 =36 são mitigadas. A Figura 6.13 apresenta o plano τ vs. σ ’ (Eqs. (6.10) e (6.11), respetivamente, conseguido por Rios (2011), com os resultados da F igura 6.12 e com os resultados dos ensaios da presen te dissertação incorporados.       2 cos 󰇛 ′ 󰇜 (6.10) .  󰆒      2      2 sin 󰇛 ′ 󰇜 (6.11) . Para cálculo de  ’ cv recorre-se a interceção n umérica entre o círculo de Mohr e uma reta que passa na origem do plano τ vs. σ ’ ( c’ =0kPa) e que tangencia o referido círculo. O Quadro 6.6 expõe os valores necessários à determinação de  ’ cv . Quadro 6.6 – Grandezas ne cessárias à determinação da posição do círculo de Mohr. Designação  do  provete  σ 1  (kPa)  σ 3  (kPa )  q  (kPa)  Raio  do  círcul o  de  Mohr  (kPa )  Centro  do  círculo  de  Mohr  (kPa )  AP_2%_II  6716  1500  5216  2608  4108  AP_2%_III  27536  9500  18036  9018  18518  AP_4%_II  6455  1500  4955  2478  3978  AP_4%_III  30478  9500  20978  10489  19989  AP_7%_II  6561  1500  5061  2530  4030  Capítulo 6. Ensaios triaxiais monotónicos saturados de altas pressões 313 Por outro lado, considerando c’ =0kPa (em estado crítico),  ’ cv pode ser explicado p ela seguinte expressão:   󰆒 a r c s i n           (6.12) . O Quadro 6.7 expõe os valores dos ângulos de atrito em estado crítico e os valores de τ e σ ’ para cada um dos ensaios e a Figura 6.13 efetua a sua representação gráfica juntam ente com os resultados publicados por Rios (2011). Quadro 6.7 – Valores de rotura e ângulo de atrit o em estado crític o dos provete s ensaiados. Designação  do  provete  t  (kPa)  s'  (kPa)  tg  ( α )  φ ' cv  (º)  σ '  (kPa)  τ (kP a)  AP_2%_II  2608  4108  0,635  39,4  2452  2015  AP_2%_III  9018  18518  0,487  29,1  14126  7876  AP_4%_II  2478  3978  0,623  38,5  2434  1938  AP_4%_III  10489  19989  0,525  31,7  14485  8929  AP_7%_II  2530  4030  0,628  38,9  2442  1970  Figura 6.13 – Resistênc ias de pic o e estado crítico dos result ados de Ri os (2011) e pr ovetes do Quadr o 6.4. [Document text truncated for crawler view.]