Novas perspectivas sobre a história do pré-cisalhamento em solos granulares

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 4576 (2023) Citar este artigo

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O projeto de taludes profundos para minas a céu aberto geralmente requer informações sobre a resistência do solo à liquefação durante terremotos. Esta resistência depende não apenas da tensão inicial, da densidade inicial e da amplitude do carregamento cíclico, mas também do pré-cisalhamento, ou seja, do caminho da tensão desviatória aplicada ao solo antes do carregamento cíclico. Para explorar a influência do pré-cisalhamento no comportamento subsequente do solo, é apresentado um conjunto de testes triaxiais com uma combinação de pré-cisalhamento não drenado e ciclos de tensão drenados usando dois métodos de preparação de amostras. É mostrado que o pré-cisalhamento, bem como o método de preparação, têm uma grande influência no acúmulo de deformação durante o carregamento cíclico. Simulações dos experimentos com quatro modelos constitutivos avançados revelam que nem o efeito duradouro do pré-cisalhamento nem o método de preparação podem ser capturados adequadamente por todos os modelos. Esta deficiência dos modelos constitutivos pode levar a projetos inseguros devido à superestimação da resistência cíclica à liquefação e à subestimação dos recalques de longo prazo.

A estabilidade de taludes e as avaliações de recalques de longo prazo pertencem aos aspectos mais desafiadores do projeto de taludes de despejo para minas de linhita a céu aberto. Isto vale especialmente para minas profundas, como Hambach (Alemanha), onde as camadas granulares soltas podem atingir uma profundidade de 400 m e se pretende o recultivo da área após a extração de linhita, veja a Figura 1. Para evitar eventos catastróficos , o projeto de taludes de despejo requer informações sobre a resistência do solo à liquefação durante possíveis terremotos. Mas mesmo que a liquefacção não ocorra, a acumulação excessiva de assentamentos devido a cargas cíclicas e/ou quase estáticas durante e após a inundação das águas subterrâneas pode pôr em perigo os processos de recultivo. É digno de nota que um terremoto (cisalhamento não drenado) pode apresentar o pré-cisalhamento da próxima carga sísmica. Previsões adequadas da liquefação e do acúmulo de tensões e deformações após carregamento cíclico, incluindo a influência da densidade e do método de deposição no comportamento do solo são, portanto, essenciais.

Vista do lado de extração da mina a céu aberto de linhita Hambach (lado esquerdo) com superfície de 85 km\(^2\) e profundidade de 400 m criada com escavadeira de carvão e local de despejo (lado direito)1.

No que diz respeito à liquefação, a influência da densidade, da tensão de consolidação, bem como da amplitude do carregamento cíclico têm sido amplamente estudadas nas últimas décadas. Em geral, ensaios triaxiais não drenados em amostras consolidadas sob direção isotrópica mostram que amostras densas requerem mais ciclos da carga aplicada para atingir a liquefação do que amostras soltas. No entanto, isto não é verdade quando as direções de pré-carregamento e carregamento subsequente diferem.

Utilizando ensaios triaxiais não drenados, Ishihara e Okada2 estudaram a influência do histórico de carregamento (pré-carregamento) na resistência à liquefação da areia do rio Fuji. Eles interpretaram o pré-carregamento como pré-compressão ou pré-cisalhamento. No caso de pré-compressão o solo sofreu uma tensão de compressão isotrópica maior que aquela no início do cisalhamento subsequente. No caso de pré-cisalhamento, o solo sofreu uma determinada tensão desviatória antes do carregamento subsequente. Ao aumentar a razão de tensão do eixo de tensão isotrópica durante o pré-cisalhamento, eles observaram uma tendência da amostra a se contrair enquanto se desenvolviam deformações de cisalhamento relativamente pequenas. Sob condições drenadas, a contração resulta em um aumento da deformação volumétrica, enquanto sob cisalhamento não drenado resulta em um aumento do excesso de pressão da água nos poros. O aumento adicional da taxa de tensão levou, em contraste, à dilatação e a deformações de cisalhamento muito maiores. Sob condições drenadas ou não drenadas, a dilatação resulta em uma diminuição da deformação volumétrica ou excesso de pressão da água nos poros (aumento da tensão efetiva média), respectivamente. Em2, bem como amplamente na literatura geotécnica, a razão de tensão na qual o comportamento do solo muda da contração para a dilatação é denotada como linha de transformação de fase (PTL). Conseqüentemente, os históricos de carregamento que atingiram taxas de tensão menores que o PTL foram denominados pré-cisalhamento pequeno, enquanto aqueles que ultrapassaram o PTL foram chamados de pré-cisalhamento grande. A Figura 2 (digitalizada de 2) mostra o comportamento da areia do rio Fuji submetida a grande pré-cisalhamento com subsequente carregamento cíclico não drenado. Após alguns ciclos com amplitude de tensão desviatória de \(q^{{\text{ ampl }}}=0,4\) kg/cm\(^2\) (primeiro carregamento), a amostra foi carregada além do PTL (grande pré-cisalhamento ) com uma tensão desviatória de \(q\approx 1,1\) kg/cm\(^2\). Em seguida, o excesso de pressão da água dos poros resultante foi dissipado abrindo a drenagem até que a tensão efetiva isotrópica inicial (p = 1,0 kg/cm\(^2\)) fosse recuperada (reconsolidação). Finalmente, a amostra foi submetida a ciclos não drenados de tensão desviatória (segundo carregamento) com a mesma amplitude do primeiro carregamento. O experimento mostra que a tensão efetiva diminui mais rapidamente com o número de ciclos de carga para o caso de grande pré-cisalhamento (segundo carregamento) do que para o caso sem pré-cisalhamento (primeiro carregamento). Mesmo que a razão de vazios antes do segundo carregamento (\(e=0,825\)) seja menor que aquela antes do primeiro carregamento (\(e=0,840\)) o estado mais denso sujeito à mesma amplitude de carregamento liquefaz-se mais facilmente. Portanto, o histórico de carregamento (pré-carga) desempenha um papel importante (às vezes até mais significativo que a densidade) no comportamento do material e pode reduzir significativamente a sua resistência contra a liquefação.