A ruptura dos solos é quase sempre um fenômeno de cisalhamento. Isto acontece, por exemplo, quando uma sapata de fundação é carregada até a ruptura ou quando ocorre o escorregamento de um talude. Só em condições especiais ocorrem rupturas por tensões de tração. A resistência ao cisalhamento de um solo pode ser definida como a máxima tensão de cisalhamento que o solo pode suportar sem sofrer ruptura, ou tensão de cisalhamento do solo no plano em que a ruptura estiver ocorrendo.
A seguir ver-se-á algumas idéias sobre o mecanismo de deslizamento entre corpos sólidos, e, por extensão, entre as partículas do solo. Em particular, analisemos os fenômenos de atrito e coesão.
Atrito
A resistência por atrito entre as partículas pode ser simplificadamente demonstrada por analogia com o problema de deslizamento de um corpo sobre uma superfície plana horizontal. Sendo N a força vertical transmitida pelo corpo, a força horizontal T necessária para fazer o corpo deslizar deve ser superior a f.N, sendo f o coeficiente de atrito entre os dois materiais. Existe, portanto, proporcionalidade entre a força tangencial e a força normal. Esta relação pode ser também escrita da seguinte forma:
tanϕ⋅T=N sendo ϕ, chamado ângulo de atrito, o ângulo formado pela resultante das duas forças com a força normal.
O ângulo de atrito pode ser entendido, também, como o ângulo máximo que a força transmitida pelo corpo à superfície pode fazer com a normal ao plano de contato sem que ocorra deslizamento. Atingido este ângulo, a componente tangencial é maior do que a resistência ao deslizamento, que depende da componente normal.
O deslizamento também pode ser provocado pela inclinação do plano de contato, que altera as componentes normal e tangencial ao plano do peso próprio, atingindo, na situação limite, a relação expressa pela equação.
Experiências feitas com corpos sólidos mostram que o coeficiente de atrito é independente da área de contato e da força (ou componente) normal aplicada. Assim, a resistência ao deslizamento é diretamente proporcional à tensão normal e pode ser representada por uma linha reta.
Esquemas referentes ao atrito entre dois corpos
O fenômeno do atrito nos solos se diferencia do fenômeno do atrito entre dois corpos porque o deslocamento se faz envolvendo um grande número de grãos, podendo eles deslizarem entre si ou rolarem uns sobre os outros, acomodando-se em vazios que encontrem no percurso.
Existe também uma diferença entre as forças transmitidas nos contatos entre os grãos de areia e os grãos de argila. Nos contatos entre os grãos de areia, geralmente as forças transmitidas são suficientemente grandes para expulsar a água da superfície, de tal forma que os contatos ocorrem geralmente entre os dois minerais.
No caso das argilas, o número de partículas é muitíssimo maior, sendo a força transmitida num único contato, extremamente reduzida. De outra parte, as partículas de argila são envolvidas por moléculas de água quimicamente adsorvidas a elas. As forças de contato não são suficientes para remover estas moléculas de água, e são elas as responsáveis pela transmissão das forças. Esta característica é responsável pelo adensamento secundário. A Figura 8.2 mostra, comparativamente, a diferença dos contatos entre os grãos de areia e os de argila.
Figura 8.2– Transmissão de forças entre partículas de areias e de argilas
Coesão
A resistência ao cisalhamento dos solos é essencialmente devida ao atrito entre as partículas. Entretanto, a atração química entre estas partículas pode provocar uma resistência independente da tensão normal atuante no plano e que constitui uma coesão real, como se uma cola tivesse sido aplicada entre os dois corpos mostrados na Figura 8.2.
A parcela de coesão em solos sedimentares, em geral, é muito pequena perante a resistência devida ao atrito entre os grãos. Entretanto, existem solos naturalmente cimentados por agentes diversos, entre os quais os solos evoluídos pedologicamente, que apresentam parcelas de coesão real de significativo valor.
A coesão real deve ser bem diferenciada da coesão aparente. Esta, a coesão aparente, é uma parcela da resistência ao cisalhamento de solos úmidos, não saturados, devida à tensão entre partículas resultante da pressão capilar da água. A coesão aparente é, na realidade, um fenômeno de atrito, onde a tensão normal que a determina é conseqüente da pressão capilar. Saturando-se o solo, esta parcela da resistência desaparece, donde provém o nome de aparente. Embora mais visível nas areias, onde é clássico o exemplo das esculturas de areias feitas nas praias, é nos solos argilosos que a coesão aparente assume os maiores valores.
O fenômeno físico de coesão também não deve ser confundido com a coesão correspondente a uma equação de resistência ao cisalhamento. Embora leve o mesmo nome, indica simplesmente o coeficiente linear de uma equação de resistência válida para uma faixa de tensões mais elevada e não para tensão normal nula ou próxima de zero.
A coesão correspondente a uma equação de resistência ao cisalhamento pode ser vista no gráfico da Figura 8.3. A curva pode ser representada pela equação
=c+fτσ⋅ onde c e f são constantes do material e σ a tensão normal existente no plano de cisalhamento. Os parâmetros c e f são denominados, respectivamente, coesão e coeficiente de atrito interno, podendo este ser expresso como a tangente de um ângulo, denominado ângulo de atrito interno.