Desenvolvimento de um equipamento Hollow Cylinder Torsional para solos

Abstract

A maior parte das solicitações que ocorrem em campo, devidas a obras geotécnicas, está associada à rotação das tensões principais no interior do solo. Muitos equipamentos de ensaios de laboratório tentam simular estas condições, mas o único que possibilita o controle da magnitude e da direção das tensões principais é o equipamento hollow cylinder torsional. Sua utilização vem sendo cada vez mais freqüente em todo o mundo, pois é o equipamento de laboratório mais completo na simulação de condições de campo. Um equipamento hollow cylinder torsional foi projetado e construído na Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) como parte desta tese, visando a investigação do comportamento mecânico de materiais de pavimentação. O desenvolvimento deste equipamento incluiu seu projeto, usinagem de peças, aquisição de componentes, montagem e ensaios de calibração. Sua concepção e fundamentação teórica foram baseadas em trabalhos pioneiros sobre ensaios hollow cylinder torsional realizados no Imperial College da Universidade de Londres, nos anos 80, e na Universidade de Nottingham, nos anos 90. O material empregado no programa experimental desta tese é um solo residual de arenito Botucatu compactado. Além dos ensaios convencionais para caracterização do material, foram realizados ensaios triaxiais de carga repetida, para determinação dos módulos de resiliência e das deformações permanentes deste solo, na modalidade multi-estágio. No equipamento hollow cylinder torsional foram realizados ensaios com carga estática e rotação do plano de tensões principais e ensaios com carga cíclica, com e sem rotação do plano de tensões principais. Os ensaios de carga cíclica para avaliar as deformações permanentes apresentaram boa resposta quando comparados aos ensaios triaxiais e mostraram que a deformação permanente axial aumenta quando é aplicada a rotação no plano de tensões principais. A aplicação de torque no corpo de prova neste tipo de ensaio, mesmo quando realizada na modalidade não cíclica, apresenta uma aproximação mais real do comportamento de campo que os ensaios triaxiais de carga repetida convencionais. Além da montagem do equipamento hollow cylinder torsional, um dos objetivos desta tese foi validar este equipamento, o qual pode ser considerado apto ao funcionamento. A disponibilidade deste equipamento abre um amplo horizonte para pesquisas futuras, na Universidade Federal do Rio Grande do Sul, sobre o comportamento geotécnico de solos submetidos às mais variadas solicitações.

Most of in situ solicitations due to geotechnical works is associated to soils principal stresses rotation. Several laboratory equipments try to simulate principal stresses rotation, but only the hollow cylinder torsional apparatus allows controlling the magnitude and directions of principal stresses in soils. This equipment, which is the most complete available to simulate in situ stresses states, is becoming more and more used all over the world. As a part of this PhD thesis, a hollow cylinder torsional apparatus was designed and assembled at the Federal University of Rio Grande do Sul, Brazil, with the purpose of studying the mechanical behavior of paving materials. The hollow cylinder torsional apparatus included its design, the production and assemblage of pieces, as well as calibration tests. The equipment conception and theoretical fundaments were based in former works carried out at the Imperial College of Science and Technology at London, in the years 1980, and at the University of Nottingham, in de following decade. The material used for testing was a sandstone residual soil. Besides conventional geotechnical characterization, multistage triaxial repeated loading tests were carried out to obtain resilient modulus models and permanent deformation characteristics. The hollow cylinder torsional apparatus tested compacted specimens under static and repeated loading, applying principal stresses rotation. Repeated loading tests for evaluating permanent deformations were successfully carried out, confirming the increase of axial permanent deformation due to principal stress rotation. The torsion applied to the specimen in this type of test, even under static loading, better simulates in situ conditions than conventional repeated loading tests. Besides the design and assemblage of the hollow cylinder torsional apparatus the experimental work carried out for this thesis, allowed overcoming difficulties that appear when a complex device is firstly put into operation. The availability of such equipment at the Federal University of Rio Grande do Sul broadens the horizon of researches that will be carried out in future days on the geotechnical behavior of soils submitted to various stress states.