Development and Laboratory Assessment of a Small Torsional Direct Shear Test Apparatus

Resumo Técnico: Desenvolvimento e Avaliação Laboratorial de um Aparelho de Ensaio de Cisalhamento Direto Torsional Pequeno

Definição do Problema
O Ensaio de Cisalhamento Direto (ECD) convencional continua sendo um método laboratorial padrão para determinar os parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo (coesão, c, e ângulo de atrito interno, ϕ). No entanto, ele sofre de duas limitações inerentes: a área de cisalhamento efetiva diminui conforme as metades da caixa se deslocam, levando a cálculos de tensão aproximados em grandes deformações, e o deslocamento total alcançável é restrito pela geometria da caixa, limitando a caracterização da resistência residual. Embora dispositivos de cisalhamento torsional e de anel ofereçam uma área de cisalhamento constante ao rotacionar a amostra em torno de um eixo fixo, os aparelhos de Ensaio de Cisalhamento Direto Torsional (ECDT) implantáveis em campo existentes não são adequados para o trabalho laboratorial controlado. Especificamente, eles têm dificuldade em acomodar amostras remoldadas preparadas em densidades e teores de umidade específicos, são impraticáveis para solos finos e carecem do rendimento necessário para comparação sistemática com métodos padrão. Existe uma lacuna na literatura em relação a dispositivos torcionais compactos em escala laboratorial que possam ser adaptados aos quadros de carregamento de ECD padrão para testes de rotina.

Metodologia
Para abordar essa lacuna, os autores projetaram e fabricaram um aparato de ECDT compacto em escala laboratorial, adaptado a um quadro de carregamento de ECD de caixa pequena convencional. Esta configuração reutiliza a infraestrutura existente (quadro de carga normal, aquisição de dados), enquanto substitui a caixa de cisalhamento bipartida por um conjunto torsional de topo aberto.

• Design do Aparato: O sistema utiliza palhetas intercambiáveis (padrão de 90 mm de diâmetro e uma suplementar de 60 mm de diâmetro) inseridas em uma caixa de solo de 150 × 150 × 100 mm. A carga normal é aplicada através do quadro de ECD existente por meio de um bloco de apoio que permite a rotação livre. O torque é aplicado via um guincho operado manualmente, conectado a um braço de alavanca e uma célula de carga.
• Base Teórica: Diferente dos testes de palheta de campo, que mobilizam o cisalhamento ao longo das laterais e extremidades do cilindro, este dispositivo confina o solo nas laterais e no topo, mobilizando a resistência ao cisalhamento apenas através da base circular horizontal da palheta. O estudo assume uma mobilização uniforme da tensão de cisalhamento através da base da palheta. Consequentemente, a tensão de cisalhamento (τ) é calculada a partir do torque medido (T) usando a relação τ = 3T / (2*πR³), onde R é o raio da palheta. O deslocamento de cisalhamento é derivado da rotação angular da palheta.
• Programa Experimental: Quatorze condições de solo foram testadas: seis solos naturais (variando de argilas de alta a baixa plasticidade, silte e solo de algodão negro/black cotton soil), dois areias naturais de coesão adicionais e seis misturas artificiais de areia triturada/argila (0% a 100% de argila em peso). As amostras foram preparadas com densidade e teor de umidade correspondentes tanto para o ECDT quanto para um ECD convencional acompanhante. O ECDT utilizou uma taxa de deformação constante de 1,2 mm/min para coincidir com os padrões de ECD da norma IS 2720 (Parte 13).

Principais Contribuições

1. Desenvolvimento do Dispositivo: A adaptação bem-sucedida de um princípio de cisalhamento torsional em um formato laboratorial compacto compatível com quadros de carregamento de ECD padrão, permitindo o teste de rotina de amostras remoldadas.
2. Protocolo de Redução de Dados: Estabelecimento de uma fórmula específica de conversão de torque-para-tensão (τ = 3T / (2*πR³)) baseada na premissa de mobilização de tensão uniforme através da base da palheta, distinta das contribuições de cisalhamento lateral dos testes de palheta de campo.
3. Validação Sistemática: Uma comparação direta, lado a lado, entre o pequeno ECDT e o ECD convencional através de um amplo espectro de tipos de solo e graduações, examinando especificamente a influência do conteúdo de argila em misturas e o diâmetro da palheta.

Resultados

• Solos Naturais (Palheta de 90 mm): Para os seis solos naturais de base, o ECDT geralmente reproduziu os resultados do ECD, mas com um viés conservador. Os valores de coesão do ECDT foram consistentemente menores que os valores do ECD, com uma razão média de aproximadamente 0,79 (variando de 0,59 a 0,94). O ângulo de atrito interno mostrou maior variabilidade; embora a razão média tenha sido de aproximadamente 0,93, a areia artificial apresentou resultados quase idênticos (razão = 1,00), enquanto o solo de Ratnagiri apresentou um ângulo de atrito de ECDT mais elevado.
• Misturas Areia-Argila (Palheta de 90 mm): Uma inversão de tendência distinta foi observada conforme o conteúdo de argila aumentava. Com 0–20% de argila, a coesão do ECDT foi menor que a do ECD. No entanto, com 40% de argila ou mais, a coesão do ECDT igualou ou excedeu os valores do ECD (razões variando de 1,02 a 1,13). Uma inversão semelhante, embora menos pronunciada, foi observada para o ângulo de atrito.
• Sensibilidade do Diâmetro da Palheta: Os testes suplementares utilizando a palheta de 60 mm mostraram subprevisão substancial tanto da coesão quanto do ângulo de atrito em comparação com o ECD, com maior dispersão. A palheta de 60 mm também tornou-se mecanicamente instável (inclinação) em misturas com conteúdo de argila acima de 40%, indicando que a palheta de 90 mm é a configuração validada para uso de rotina.
• Areias Coesãois: O acordo próximo da unidade da areia artificial não se estendeu às outras areias coesionais (Areia de Praia e Areia Triturada), que mostraram subprevisão significativa dos ângulos de atrito, sugerindo que a forma das partículas e a graduação influenciam os resultados.

Significância e Alegações
O artigo posiciona o pequeno ECDT não como um substituto para o ECD convencional, mas como um complemento prático de alto rendimento para triagem de rotina. Os autores alegam que, para a maioria dos solos naturais, o dispositivo produz resultados "levemente conservadores", o que é uma característica favorável para fins de projeto. O estudo estabelece que o desempenho do dispositivo não é um deslocamento fixo, mas depende das propriedades do material (especificamente o conteúdo de argila em misturas) e de variáveis geométricas (diâmetro da palheta).

Os autores declaram explicitamente que a configuração da palheta de 90 mm é o setup validado para uso de rotina, enquanto a palheta de 60 mm requer estudo sistemático adicional devido à instabilidade e alta sensibilidade aos efeitos de contorno. O trabalho conclui que, embora o dispositivo adapte com sucesso o cisalhamento torsional para um ambiente laboratorial, seus resultados devem ser interpretados com consciência do modo específico de cisalhamento e das limitações relativas ao atrito de contorno, escala da amostra e falta de replicação independente para certos tipos de mistura. O trabalho serve como um precursor laboratorial necessário para a eventual validação em campo do seu correspondente de grande escala.