Mecânica dos Solos: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 6 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Tensão efetiva no solo

Tensão total: σ = Σγ_i·h_i
Poropressão: u = γ_w·(z − z_w)
Tensão efetiva: σ′ = σ − u
Água: γ_w = 9,81 kN/m³

Recalque por adensamento

Normalmente adensado: S = C_c·H/(1 + e₀)·log₁₀(σ′_f/σ′₀)
Tensão final: σ′_f = σ′₀ + Δσ (at mid-depth of the layer)
Pré-adensado, σ′_f ≤ σ′_p: S = C_r·H/(1 + e₀)·log₁₀(σ′_f/σ′₀)
Pré-adensado, σ′_f > σ′_p: S = H/(1 + e₀)·[C_r·log₁₀(σ′_p/σ′₀) + C_c·log₁₀(σ′_f/σ′_p)]
Razão de pré-adensamento: OCR = σ′_p/σ′₀
Tempo de adensamento: t = T_v·H_dr²/c_v
Caminho de drenagem: H_dr = H/2 (drenagem dupla), H (drenagem simples)
Fatores tempo: U 50% → 0,197, 60% → 0,287, 70% → 0,403, 80% → 0,567, 90% → 0,848

Força hidrostática

Pressão em uma profundidade: p = ρgh
Força em uma parede vertical: F = ρg·h_c·A
Centro de pressão: y_p = y_c + I_c/(y_cA)
Retângulo: I_c = bH³/12

2Exercícios

1.Tensão efetiva no soloMédia

Para o perfil de solo mostrado, encontre a tensão vertical efetiva σ′ no ponto X.

z = 13 mz_w = 1 mγ_w = 9,81 kN/m³areia: γ_d = 16 kN/m³areia: γ_sat = 18,5 kN/m³

σ′ = kPa

2.Tensão efetiva no soloDifícil

Para o perfil de solo mostrado, encontre a poropressão u no ponto X.

z = 6 mz_w = 2 mγ_w = 9,81 kN/m³areia: γ_d = 15,5 kN/m³areia: γ_sat = 18,5 kN/m³argila: γ_sat = 17 kN/m³

u = kPa

3.Recalque por adensamentoMédia

Uma camada de argila pré-adensada com 5 m de espessura tem C_c = 0,25, C_r = 0,06 e e₀ = 0,9. Na metade da sua profundidade a tensão vertical efetiva é 50 kPa e a razão de pré-adensamento é OCR = 2. Um novo edifício acrescenta 120 kPa de tensão vertical na metade da profundidade. Encontre o recalque por adensamento primário S em mm.

H = 5 mC_c = 0,25C_r = 0,06e₀ = 0,9σ′₀ = 50 kPaOCR = 2Δσ = 120 kPa

S = mm

4.Recalque por adensamentoDifícil

Uma camada de argila com 7,5 m de espessura tem coeficiente de adensamento c_v = 1 m²/ano. Ela está sobre rocha impermeável, com areia acima, então a água drena apenas pelo topo. Para 70% de adensamento médio o fator tempo é T_v = 0,403. Quantos anos t a camada leva para atingir 70% de adensamento?

H = 7,5 mc_v = 1 m²/anoU = 70%T_v = 0,403drenagem simples

t = anos

5.Força hidrostáticaMédia

Uma comporta retangular vertical de 3 m de largura fica na parede de um tanque de água, com a borda superior 1,5 m abaixo da superfície. Encontre a força hidrostática resultante F na comporta.

d = 1,5 mH = 2,5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

F = kN

6.Força hidrostáticaDifícil

Uma comporta retangular vertical de 3 m de largura fica na parede de um tanque de glicerina, com a borda superior 3 m abaixo da superfície. Encontre a profundidade y_cp do centro de pressão abaixo da superfície.

d = 3 mH = 1,5 mb = 3 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²

y_cp = m

3Soluções

1.Tensão efetiva no solo

Resposta: σ′ = 120,3 kPa

Tensão efetiva (Terzaghi): o esqueleto do solo suporta σ′ = σ − u. A tensão total σ é o peso de tudo acima do ponto, Σγ·h, usando o peso específico seco acima do lençol freático e o saturado abaixo dele. Abaixo do lençol freático a poropressão é hidrostática: u = γ_w·(profundidade abaixo do lençol freático).

Tensão total

Some o peso de cada faixa de solo acima de X. Acima do lençol freático use o peso específico seco, abaixo o saturado.

σ = γ_d·z_w + γ_sat·(z − z_w) = 16·1 + 18,5·12 = 238 kPa

Poropressão

A pressão da água cresce com a profundidade abaixo do lençol freático.

u = γ_w·(z − z_w) = 9,81·12 = 117,7 kPa

Tensão efetiva

σ′ = σ − u = 238 − 117,7 = 120,3 kPa

Resposta

σ′ = 120,3 kPa

2.Tensão efetiva no solo

Resposta: u = 39,24 kPa

Poropressão

A pressão da água cresce com a profundidade abaixo do lençol freático.

u = γ_w·(z − z_w) = 9,81·4 = 39,24 kPa

Resposta

u = 39,24 kPa

3.Recalque por adensamento

Resposta: S = 199,1 mm

Adensamento primário de uma camada de argila de espessura H, usando a tensão efetiva no meio da camada: σ′_f = σ′₀ + Δσ. Argila normalmente adensada: S = C_c·H/(1 + e₀)·log₁₀(σ′_f/σ′₀). Uma argila pré-adensada se recomprime segundo C_r até a tensão de pré-adensamento σ′_p e só segue C_c além dela. Tempo: t = T_v·H_dr²/c_v, em que o caminho de drenagem H_dr é H/2 quando a água pode sair pelo topo e pela base, e H quando só um lado drena.

Tensão de pré-adensamento

σ′_p = OCR·σ′₀ = 2·50 = 100 kPa

Comparar com a tensão de pré-adensamento

σ′_f = 50 + 120 = 170 kPa > 100 kPa

Recalque

Recompressão até σ′_p, compressão virgem além dela.

S = 0,06·5/(1 + 0,9)·log₁₀(100/50) + 0,25·5/(1 + 0,9)·log₁₀(170/100)

S = 47,53 + 151,6 = 199,1 mm

Resposta

S = 199,1 mm

4.Recalque por adensamento

Resposta: t = 22,67 anos

Caminho de drenagem

H_dr = H = 7,5 m

Tempo

t = T_v·H_dr²/c_v = 0,403·7,5²/1 = 22,67 anos

Resposta

t = 22,67 anos

5.Força hidrostática

Resposta: F = 202,3 kN

Força hidrostática em uma superfície plana: F = ρ·g·y_c·A. Ela atua no centro de pressão, y_cp = y_c + I_c/(y_cA), que sempre fica abaixo do centroide.

Profundidade do centroide e área

y_c = d + H/2 = 1,5 + 2,5/2 = 2,75 m

A = H·b = 2,5·3 = 7,5 m²

Força resultante

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9,81·2,75·7,5 = 202,3 kN

Resposta

F = 202,3 kN

6.Força hidrostática

Resposta: y_cp = 3,8 m

Força hidrostática em uma superfície plana: F = ρ·g·y_c·A. Ela atua no centro de pressão, y_cp = y_c + I_c/(y_cA), que sempre fica abaixo do centroide.

Profundidade do centroide e área

y_c = d + H/2 = 3 + 1,5/2 = 3,75 m

A = H·b = 1,5·3 = 4,5 m²

Força resultante

F = ρ·g·y_c·A = 1260·9,81·3,75·4,5 = 208,6 kN

Centro de pressão

A pressão cresce com a profundidade, então a resultante atua abaixo do centroide.

I_c = b·H³/12 = 3·1,5³/12 = 0,8438 m⁴

y_cp = y_c + I_c/(y_c·A) = 3,75 + 0,8438/(3,75·4,5) = 3,8 m

Resposta

y_cp = 3,8 m

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