A resistência ao cisalhamento é uma das propriedades mais importantes na Engenharia Geotécnica. Isso ocorre porque a maioria das obras de Engenharia Civil exige o prévio conhecimento desse parâmetro geotécnico para o projeto de estruturas seguras. Com base na resistência ao cisalhamento, é possível se analisar a estabilidade de taludes, determinar a capacidade de carga de um solo, calcular a pressão lateral em estruturas de contenção, dentre outros problemas envolvendo a estabilidade dos solos.

Sabendo da relevância do assunto na Geotecnia, preparamos este artigo para explicar melhor sobre como ocorre a ruptura dos solos por cisalhamento.

Definições

O parâmetro de resistência ao cisalhamento pode ser definido como a resistência interna por unidade de área que a massa do solo pode oferecer para resistir à falha e deslizar ao longo de qualquer plano dentro dela.

No dimensionamento de uma obra geotécnica, de modo a garantir a segurança à ruptura, é necessário quantificar as diversas solicitações e verificar se o solo é suficientemente resistente, determinando-se, para esse efeito, a resistência ao cisalhamento mobilizada pelo solo.

Ruptura dos solos

Qualquer ponto (elemento de volume) no interior de uma massa de solo é solicitado por tensões que resultam do peso próprio e por tensões induzidas pelas cargas externas aplicadas. Os solos, assim como outros materiais, resistem bem às tensões de compressão, mas têm fraca resistência ao cisalhamento, e a resistência à tração é praticamente nula.

A ruptura por cisalhamento caracteriza-se por deslocamentos relativos entre partículas, desprezando-se as deformações das próprias partículas. No caso dos solos, geralmente a ruptura ocorre por cisalhamento ao longo de uma superfície de ruptura, ou seja, dá-se o deslizamento de uma parte do maciço sobre uma zona de apoio que permanece fixa. Os planos de ruptura são planos onde as tensões tangenciais superam as resistências ao cisalhamento. Veja na Figura 1 alguns exemplos de ruptura por cisalhamento.

Lembrando que para definir uma estrutura segura ou não, utiliza-se o artifício do Fator de Segurança (FS), que correlaciona as tensões resistentes (chamadas estabilizadoras) às tensões que atuam no maciço de terra (chamadas instabilizadoras).

Figura 1 – Exemplos de avaliações da resistência ao cisalhamento do solo

Resistência ao cisalhamento

Ao se executar os ensaios de cisalhamento do solo (direto ou triaxial), a tensão normal permanece (aproximadamente) constante e a evolução das tensões de cisalhamento pode ser representada no plano de tensões de Mohr, conforme Figura 2, cuja equação da envoltória tem participação da coesão (c), da tensão normal do plano de ruptura (σ 𝜎) e do ângulo de atrito interno (𝜙):

Figura 2 – Envoltória de ruptura de Mohr-Coulomb

Assim, quando a trajetória das tensões (de cisalhamento) atinge a envoltória de ruptura (τ = τmáx = τf) dá-se a ruptura por cisalhamento do corpo de prova, segundo o plano horizontal imposto, e a tensão máxima será a resistência ao cisalhamento desse solo para determinada tensão normal.

A seguir será feita uma breve explicação sobre o ângulo de atrito e a coesão do solo, que são determinantes para a resistência ao cisalhamento.

Ângulo de atrito interno (𝝓)  

Na Figura 3 mostra-se um corpo sólido apoiado sobre uma superfície plana horizontal. A força N representa a força vertical que atua sobre o corpo, incluindo o seu peso. Na situação (a) há a força de atrito disponível, mas não mobilizada; na (b) há a força de atrito parcialmente mobilizada; e na (c) há a força de atrito totalmente mobilizada.

Figura 3 – Representação dos parâmetros de resistência do solo

Percebe-se que a reação à força N é quem gera a força de atrito (Fa) contrária a força T tangencial. Essa Fa pode ser expressa por: 𝐹𝑎=𝑁.𝜇 𝑠𝑒𝑛𝑑𝑜 𝜇=𝑡𝑔𝜙 Em que: μ é o coeficiente de atrito; e 𝜙 é o ângulo de atrito, inerentes aos materiais em contato. Para a maioria dos materiais, 𝜙 e, consequentemente, μ, são aproximadamente constantes e independentes das forças que atuam sobre o corpo. A força de atrito, Fa, é mobilizada para resistir a uma força horizontal máxima aplicada ao corpo, permitindo estabelecer o equilíbrio. A respeito desse atrito, podemos dizer que:

– A força de atrito disponível depende da reação normal, N, e do ângulo de atrito 𝜙. Se um dos dois for igual à zero, não haverá resistência por atrito;

– Se a inclinação da resultante em relação à normal à interface entre o corpo e a superfície horizontal for menor que o ângulo de atrito (𝜙), será mobilizada apenas uma parcela da resistência por atrito disponível e não haverá risco de escorregamento;

– O ângulo de atrito é o valor limite da inclinação, quando a inclinação for igual a 𝜙, toda a resistência por atrito disponível estará mobilizada e o escorregamento do bloco torna-se iminente;

– O critério de ruptura é traduzido pela inclinação da resultante das forças, igual ao ângulo de atrito. O ângulo de atrito 𝜙 é também designado como ângulo de atrito interno ou ângulo de resistência ao cisalhamento, porque está implícito no seu valor o efeito do atrito entre as partículas e o inter-travamento entre elas.

– Nas areias, o ângulo de atrito interno varia de forma considerável com o índice de vazios e, naturalmente, com o índice de compacidade (compacidade relativa). No modelo físico apresentado para descrever o conceito de ângulo de atrito, se o corpo estiver “colado” à superfície, mesmo que N = 0, existe uma parcela de resistência ao cisalhamento entre as superfícies de contato que é independente da força normal aplicada. Esta parcela de resistência é definida como coesão, ou seja, uma tensão tangencial que atua na área de contato que será definida no item a seguir.

Coesão (c)

A coesão é uma característica típica de solos muito finos. A coesão aumenta com a quantidade de argila, com a razão de sobre adensamento (RSA) e com o teor de umidade. Os solos podem apresentar uma coesão real ou verdadeira ou uma coesão aparente. Esta última é a parcela de resistência ao cisalhamento de solos úmidos (parcialmente saturados), devido à sucção que atrai as partículas (construções de areia na praia, por exemplo). No caso da secagem ou saturação do solo, essa falsa coesão desaparece. A coesão é a resistência que a fração argilosa oferece pelo fato de manter o solo sob a forma de torrões ou blocos, e este pode ser cortado mantendo uma forma. Os solos que têm essa propriedade chamam-se coesivos. A atração química entre partículas e a cimentação de partículas podem originar uma coesão real. Os solos não coesivos, como as areias ou cascalhos limpos ou com poucos finos (solos puramente friccionais), desagregam-se facilmente ao serem cortados, escavados ou mergulhados em água.