Efeitos de velocidade em ensaios de palheta

Abstract

Os ensaios de palheta são frequentemente utilizados na estimativa da resistência não-drenada de depósitos de argilas moles devido à simplicidade do equipamento, rapidez de execução e baixo custo. A velocidade de deformação em ensaios de palheta de campo é, geralmente, de 6º/min. Contudo, os resultados destes ensaios são influenciados por vários fatores e, dentre eles, a velocidade de rotação pode ser considerada um dos mais importantes. Sob condições não-drenadas, os materiais argilosos apresentam ganho de resistência não-drenada com o aumento da velocidade de cisalhamento, resultante da viscosidade da água adsorvida nas partículas de solo. Como o ensaio de palheta tem sido cada vez mais utilizado para estimar a resistência não-drenada de outros solos de granulometria fina, como siltes, resíduos de mineração entre outros, é preciso ter cautela na interpretação dos resultados nestes materiais, pois a utilização da velocidade padrão de campo pode levar à ocorrência de drenagem parcial durante o cisalhamento e, nestes casos, os solos apresentam resistência e rigidez maiores que sob condições não-drenadas. Desta forma, o objetivo deste trabalho consiste na avaliação da influência da velocidade de rotação do ensaio de palheta na resistência dos solos. Foram realizados ensaios de palheta, utilizando palhetas de 20,2, 25,5 e 40,0 mm de diâmetro e com relação altura-diâmetro igual a 2 a velocidades de rotação de 0,68 a 10800o/min, utilizando três misturas compostas por 85% caulim e 15% bentonita com 100, 130% e 160% de umidade (argilosas), uma mistura composta por caulim puro a 50% de umidade (silte) e uma mistura composta por 60% caulim e 40% areia com 40% de umidade (silte). A partir dos resultados dos ensaios de palheta, observou-se que a resistência não-drenada aumenta com a velocidade, sob condições não-drenadas, tanto para os solos argilosos quanto para os siltosos. A resistência não-drenada também é influenciada pelo diâmetro da palheta e pelo índice de vazios do solo, e consequentemente pelo seu teor de umidade. A resposta viscosa dos ensaios de palheta ao longo de toda a faixa não-drenada pode ser descrita por uma equação potencial (para valores de velocidade adimensional maiores que 10). Os solos siltosos, especialmente a argila misturada com areia, também apresentam aumento de resistência com o aumento da velocidade, sob condições não-drenadas, mais pronunciado que para os solos argilosos. Entretanto, a pequenas velocidades, uma parcela do excesso de poro pressão gerado durante a rotação da palheta foi dissipado, ocasionando efeitos de drenagem parcial durante o cisalhamento. O torque medido durante os ensaios é influenciado pelas dimensões da palheta. Porém, não foi verificada qualquer tendência de variação na resistência normalizada (T/Tref) decorrente das dimensões da palheta. A velocidade normalizada (V) considera diretamente, além da velocidade, a geometria da palheta e o coeficiente de adensamento do solo e reflete os efeitos de permeabilidade, rigidez e velocidade de cisalhamento, fatores que também controlam a viscosidade. Desta forma, os efeitos viscosos dos ensaios de palheta são representados com precisão no espaço normalizado. Além da avaliação dos efeitos de velocidade devido a viscosidade, a normalização dos resultados no espaço T/Tref versus V possibilita também a avaliação dos efeitos de drenagem parcial. Ou seja, dois fenômenos físicos distintos podem ser identificados e interpretados utilizando a mesma abordagem.

Vane tests are frequently used to estimate the undrained shear strength of soft clays deposits because of the equipment simplicity, speed and low costs. The strain rate used in vane shear tests is generally of 6o/min. However, vane tests results are influenced by many factors and rate of shear can be considered one of the most important. Under undrained conditions, undrained shear strength of clayey soils increases with shear velocity. This increase on undrained shear strength occurs due to viscous effects. Furthermore, this method has been used to estimate the undrained shear strength of other fine-grained materials such as silts, tailings, among others. Tests results interpretation must to be careful on these materials, because partial drainage can occur during shear tests conducted at the standard field shear rate. In this cases, soil strength and stiffness are higher than under undrained conditions. Thus, this research is aimed to evaluate the influence of the vane shear velocity in soils strength. Vane tests were conducted using vanes with 20.2, 25.5 and 40.0 mm in diameter and with aspect ratio of 2, at rotation rates from 0.68 to 1800o/min using three kaolin-bentonite mixtures composed by 85% kaolin and 15% bentonite with a water content of 100, 130 and 160% (clay), a mixture composed just by kaolin with a 50% water content (silt) and a mixture composed by 60% kaolin and 40% Osório sand with a 40% water content (silt). Tests results shows that clay and silt strength increases with shear rate, under undrained conditions. Undrained shear strength is also influenced by vane diameter and soil void ratio, and consequently by water content. Viscous response on vane tests throughout the undrained range of velocities can be described by a power law (for normalized velocity values further than 10). Silty soils, especially clay-sand mixtures under undrained conditions, exhibited a greater increase on strength than the increased observed for clayey soils. Neverthless, in some tests conducted at low shear velocities, part of pore pressure excess generated during vane rotation was dissipated, occasioning partial drainage effects during shear. The measured torque has been influenced by vane blade dimensions, but any variation on normalized resistance (T/Tref) wasn’t found as a result of vane dimensions. Normalized velocity considers directly peripheral velocity, vane geometry and soil coeficient of consolidation and reflects permeability, stifness and shear rate effects, factors that also control viscous effects. Thus, viscous effects in vane tests are accurately represented on normalized space. In addiction to rate effects due to viscosity evaluation, results normalization on T/Tref versus V space enable partial drainage effects assessment. It shows that the two distinct physical phenomena can be identified and interpreted using one single approach.