Ensaio de cisalhamento direto: norma ASTM D3080, passo a passo e como calcular c' e φ'

O ensaio de cisalhamento direto é um ensaio de laboratório da mecânica dos solos que mede a resistência ao corte de um solo: o corpo de prova, numa caixa bipartida, é adensado sob tensão normal constante e cortado devagar, em condição drenada, para obter a coesão c' e o ângulo de atrito φ'.

A tabela resume a resposta rápida:

Item	Resposta
O que mede	resistência ao cisalhamento drenada do solo
Norma	ASTM D3080/D3080M-23e1, ativa em 05/10/2026; não há NBR
Corpos de prova	3 ou mais, cada um sob uma tensão normal
Tensões usuais	as de campo; em aula, 50, 100 e 200 kPa
Velocidade de ruptura	calculada pelo t50 ou t90 do adensamento; sem curva confiável, tempos mínimos de 10 min a 24 h até a ruptura (edição de 2011)
Resultado	c' e φ' de pico; residual com reversões

O equipamento para o ensaio está na página da prensa de cisalhamento direto Biopdi. Em detalhe: o ensaio de cisalhamento direto é o ensaio de laboratório que mede a resistência ao cisalhamento (resistência ao corte) de um solo. O corpo de prova adensado é cortado numa caixa bipartida, sob tensão normal constante e velocidade lenta o bastante para drenar, e três ou mais corpos de prova dão a coesão c' e o ângulo de atrito φ'. A norma de referência é a ASTM D3080/D3080M-23. Cada corpo de prova dá um par de tensão normal efetiva σ' e resistência máxima ao cisalhamento τ; com três ou mais tensões normais diferentes, a reta que passa pelos pontos é a envoltória de Mohr-Coulomb, τ = c' + σ'·tan φ': c' é o intercepto e φ' a inclinação.

Esses dois parâmetros são a entrada de cálculo da estabilidade de taludes e aterros, do empuxo sobre muros de contenção e da capacidade de carga de fundações. Este guia mostra o princípio do ensaio, a norma vigente (e por que não existe NBR específica), o equipamento, o passo a passo, a regra de velocidade a partir do adensamento, as modalidades rápida, adensada rápida e lenta, os cálculos com exemplos refeitos à mão, como interpretar as curvas, a resistência de pico e a residual, a comparação com o triaxial e os erros mais comuns.

Na figura, a prensa de cisalhamento direto de alavanca da Biopdi: a caixa de cisalhamento, com o solo, fica sobre a bancada, a força normal vem dos pesos pendurados na alavanca, embaixo, e a força cisalhante é medida pela célula de carga, à direita da caixa (na versão manual, essa leitura é feita num anel dinamométrico). O relógio comparador no topo mede a variação de altura do corpo de prova durante o corte.

O que é o ensaio de cisalhamento direto e para que serve

O ensaio de cisalhamento direto (em inglês, direct shear test; em Portugal, ensaio de corte direto) mede quanto esforço cortante um solo suporta antes de romper num plano. O solo quase nunca rompe por tração ou por esmagamento dos grãos. Ele rompe por cisalhamento: uma massa de solo desliza sobre outra ao longo de uma superfície, como acontece num talude que escorrega, no solo atrás de um muro de arrimo ou sob uma sapata que afunda. A resistência que o solo oferece a esse deslizamento é a resistência ao cisalhamento, e o ensaio de cisalhamento direto é a forma mais direta de medi-la em laboratório.

O método é antigo. Os primeiros ensaios em caixa de cisalhamento registrados na literatura de geotecnia são de Frontard, em 1914, depois da ruptura da barragem de Charmes, na França, e de Bell, em 1915 (Das e Sobhan, Principles of Geotechnical Engineering). A ideia continua a mesma: forçar o solo a romper num plano conhecido e medir quanto esforço isso exige para cada nível de compressão.

Na prática, o ensaio serve para:

• obter c' e φ' para análises de estabilidade de taludes, aterros e barragens;
• calcular o empuxo sobre estruturas de contenção;
• estimar a capacidade de carga de fundações rasas;
• medir a resistência de interfaces, como solo e concreto ou solo e geossintético, porque o plano de ruptura fixo é uma vantagem quando se quer ensaiar exatamente aquela superfície;
• medir a resistência residual de argilas em escorregamentos reativados, com reversões do corte.

O mesmo nome "ensaio de cisalhamento" também designa ensaios em metais, parafusos, rebites e adesivos, feitos na máquina universal com dispositivos de corte simples ou duplo. Esses ensaios medem outra coisa, a tensão de ruptura de um material sólido, e estão no artigo sobre o ensaio de cisalhamento de materiais. Aqui o assunto é só o solo.

Princípio do ensaio: a caixa bipartida e o critério de Mohr-Coulomb

O princípio do ensaio de cisalhamento direto é obrigar o solo a romper num plano conhecido, sob uma tensão normal conhecida, e aplicar o critério de Mohr-Coulomb aos pares de tensão medidos. O corpo de prova fica numa caixa metálica, quadrada ou circular, dividida horizontalmente em duas metades. Uma placa no topo transmite a força normal N, que comprime o solo. Depois que o solo adensa sob essa força, uma metade da caixa é deslocada em relação à outra, a velocidade constante, e o solo é obrigado a romper no plano horizontal que separa as duas metades. Durante o corte, o ensaio registra três grandezas: a força cisalhante T, o deslocamento horizontal entre as metades e a variação de altura do corpo de prova.

O esquema abaixo mostra a caixa em corte, já com a metade superior deslocada. As pedras porosas, acima e abaixo do solo, deixam a água entrar e sair durante o adensamento e o corte; a pequena abertura entre as metades evita que metal raspe em metal e some atrito à força medida:

Dividindo as forças pela área A do corpo de prova, obtêm-se a tensão normal σ = N/A e a tensão cisalhante τ = T/A. A resistência do solo tem duas parcelas, descritas pelo critério de Mohr-Coulomb:

• atrito entre os grãos, que cresce com a tensão normal: quanto mais o solo é comprimido, mais difícil é fazer um grão deslizar sobre o outro. O ângulo de atrito φ', também chamado de ângulo de atrito interno, mede essa taxa de crescimento e predomina nas areias e pedregulhos;
• coesão, a parcela que existe mesmo sem tensão normal, por cimentação ou interligação entre partículas. É o intercepto c', mais relevante nas argilas e nos solos cimentados.

O apóstrofo indica tensão efetiva. Num solo saturado, a água dos poros também suporta parte da carga, e só a parcela que passa de grão para grão gera atrito: σ' = σ − u, em que u é a pressão da água nos poros (poropressão). Como o ensaio é drenado, u fica praticamente nula durante o corte, e a tensão normal aplicada é a própria tensão efetiva. Por isso os parâmetros que saem do ensaio são efetivos: c' e φ'.

Qual é a norma do ensaio de cisalhamento direto

A norma usada no Brasil é a ASTM D3080/D3080M-23, Standard Test Method for Direct Shear Test of Soils Under Consolidated Drained Conditions, em vigor na versão D3080/D3080M-23e1. Ela substituiu a edição de 2011 e trata de um único corpo de prova por ensaio, recomendando três ou mais, sob tensões normais diferentes, para traçar a envoltória. O título já diz o essencial: o ensaio é adensado e drenado.

A ASTM lista seis edições da D3080: -98, -03, -04, -11, -23 e a atual -23e1 (conferido na página da norma em 05/10/2026). Quem ainda cita a D3080-04 está duas edições atrás. Há também uma revisão aberta, o work item WK91354, que troca "engineer" por "qualified professional" nos itens 1.4 e 1.5; até 05/10/2026 ela não foi publicada, e a edição válida continua a -23e1.

Na Europa, a referência é a ISO 17892-10:2018, que descreve dois métodos drenados: a caixa de cisalhamento, para a resistência de pico, e o cisalhamento anelar (ring shear), para a resistência residual de solos finos. A antiga BS 1377-7:1990, britânica, foi retirada pela BSI em 2022, mas continua citada em apostilas e relatórios antigos.

Não existe NBR específica para o cisalhamento direto de solos. Laboratórios universitários brasileiros, como o de Mecânica dos Solos da UFOP, registram que seguem a ASTM D3080 justamente por não haver procedimento normativo nacional. A norma brasileira que às vezes aparece associada ao ensaio, a ABNT NBR ISO 12957-1, é de geossintéticos: ela usa o mesmo tipo de aparelho para medir o atrito entre uma manta ou grelha e uma areia padrão ou um solo, e não serve para determinar c' e φ' de um solo.

Rocha também tem procedimento próprio, que não é a D3080. A norma ASTM para cisalhamento direto de corpos de prova de rocha sob força normal constante era a D5607, cuja última edição, D5607-16, foi retirada pela ASTM em 2025 sem substituta (situação conferida em 01/10/2026). Para juntas e descontinuidades de rocha, a referência que continua em uso é o método sugerido da ISRM, revisado por Muralha et al. (2014, Rock Mechanics and Rock Engineering). A tabela resume as normas de cisalhamento direto e a situação de cada uma:

Norma	O que trata	Situação (ASTM e ISO conferidas em 01/10/2026)
ASTM D3080/D3080M-23e1	cisalhamento direto de solos, adensado e drenado	ativa (reconferida em 05/10/2026)
ISO 17892-10:2018	cisalhamento direto e anelar de solos, drenado	em vigor, confirmada em 2024
ISO 12957-1:2018	atrito de geossintéticos em cisalhamento direto	em vigor, confirmada em 2024; não é norma de solo
ABNT NBR ISO 12957-1	versão brasileira (2013) da ISO 12957-1:2005, de geossintéticos	cancelada sem substituição em 01/2026 (catálogo Target, 30/09/2026)
BS 1377-7:1990	ensaios de resistência ao cisalhamento de solos	retirada em 2022
ASTM D5607-16	cisalhamento direto de rocha, força normal constante	retirada em 2025, sem substituta

Equipamento e corpo de prova

A prensa de cisalhamento direto reúne quatro funções: aplicar a força normal, deslocar uma metade da caixa a velocidade constante, medir a força cisalhante e medir os deslocamentos. A força normal pode vir de pesos numa alavanca ou de um motor com célula de carga; o deslocamento horizontal vem de um motor de velocidade controlada; a força cisalhante é medida por um anel dinamométrico, nas prensas manuais, ou por uma célula de carga; e os deslocamentos, por relógios comparadores ou por LVDTs, transdutores elétricos de deslocamento linear.

A caixa deve ser de material resistente à corrosão, como aço inoxidável, bronze ou alumínio, sem metais diferentes em contato que provoquem corrosão galvânica. A ASTM D3080 fixa as dimensões mínimas do corpo de prova em função do maior grão do solo (d_máx). Os valores da tabela foram conferidos no texto integral da edição de 2011; como cotas podem mudar entre edições, confira-os na edição vigente, a D3080/D3080M-23e1:

Requisito (ASTM D3080, edição de 2011)	Valor
diâmetro ou largura	≥ 50 mm e ≥ 10·dmáx
altura inicial	≥ 13 mm e ≥ 6·dmáx na edição de 2011; confira o valor na vigente
razão largura/altura	≥ 2,0
placa de topo	0,25 a 0,5 mm menor que a caixa
abertura entre as metades antes do corte	cerca do tamanho do maior grão; 0,64 mm como padrão para solos finos. A edição vigente diz que a abertura é especificada e que o solicitante pode exigir outra

Na prática, as caixas de laboratório mais comuns têm 60 ou 100 mm de lado (há também as de 2 e 4 polegadas, 50,8 e 101,6 mm), com 20 a 25 mm de altura. Solos com pedregulho pedem caixas grandes: a UFOP, por exemplo, informa caixas de 20 × 20 cm e 20 × 40 cm num equipamento de 150 kN. A regra dos 10 e 6 grãos existe porque um grão grande demais apoiado nas paredes ou atravessado no plano de corte mede a resistência daquele grão, não a do solo.

Na versão automática da prensa da Biopdi, mostrada abaixo, a força normal e a força cisalhante são aplicadas por motores e medidas por duas células de carga, o LVDT sobre a placa de topo registra a variação de altura, e o ensaio é configurado na tela touchscreen do painel:

Como realizar o ensaio de cisalhamento direto: passo a passo

O ensaio tem três fases para cada corpo de prova: montagem, adensamento sob a tensão normal e corte. A sequência abaixo segue a ASTM D3080, conferida no texto integral da edição de 2011:

1. Moldar o corpo de prova (indeformado, talhado de bloco, ou compactado na umidade e densidade de projeto) e registrar massa, dimensões e umidade inicial. Em corpo de prova moldado, a edição de 2011 pede que o solo umedecido descanse antes da moldagem: 3 h para areias siltosas (SM), 18 h para SC, ML e CL e 36 h para MH e CH; areias limpas dispensam o repouso. A deformação do próprio aparelho sob a força normal é calibrada e descontada.
2. Montar na caixa entre as duas pedras porosas, com as metades travadas pelos parafusos de alinhamento, e colocar a placa de topo.
3. Aplicar a tensão normal escolhida para aquele corpo de prova. Se o ensaio for inundado, encher a cuba de água neste momento.
4. Adensar sob essa tensão, registrando a altura ao longo do tempo até o fim do adensamento primário. A curva altura × tempo é interpretada como no ensaio de adensamento (edométrico), pela ASTM D2435/D2435M, e dá o t₅₀ ou o t₉₀ usado no cálculo da velocidade. Vale o tempo do maior incremento de tensão normal aplicado ao corpo de prova.
5. Destravar e abrir a caixa: retirar os parafusos de alinhamento e afastar as metades até a abertura especificada, com os parafusos de separação. Não erguer a metade superior por tração no solo.
6. Calcular a velocidade de corte a partir do adensamento (seção seguinte) e iniciar o deslocamento horizontal com velocidade igual ou menor que a calculada.
7. Registrar as leituras de força, deslocamento horizontal e deslocamento vertical. Durante o corte, confere-se se a abertura entre as metades continua existindo; se fechar, para-se o ensaio e reabre-se a caixa. A norma pede no mínimo leituras em 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5 e 3 mm de deslocamento e, a partir daí, a cada 2% do lado ou diâmetro.
8. Continuar o corte além do pico, até grandes deslocamentos. A edição de 2011 da ASTM D3080 pedia pelo menos 10% do lado ou diâmetro; para uma caixa de 60 mm, 6 mm de deslocamento.
9. Desmontar separando as metades por deslizamento ao longo do plano de corte, fotografar a superfície de ruptura e medir a umidade final.
10. Repetir com pelo menos dois outros corpos de prova do mesmo solo, sob tensões normais diferentes.

As tensões normais devem representar as tensões de campo da obra em estudo, e essa escolha cabe ao engenheiro. Em roteiros de aula é comum usar 100, 200 e 300 kPa, ou 50, 100 e 200 kPa, como no exemplo resolvido mais adiante.

O corpo de prova vai inundado ou na umidade natural?

Depende da condição de projeto, e a escolha muda o resultado. O corpo de prova pode ser indeformado, talhado de bloco, ou compactado na umidade e na densidade definidas pelo projetista; nos dois casos, pode ser ensaiado inundado, com a cuba cheia desde a aplicação da tensão normal, ou na umidade natural. Num solo não saturado, a sucção da água nos poros soma uma parcela de resistência aparente que desaparece quando o solo satura. Um talude que rompe depois de chuva prolongada perdeu justamente essa parcela, por isso as análises de estabilidade costumam usar o ensaio inundado, a favor da segurança. O ensaio na umidade natural serve para solos que comprovadamente não saturam na obra, e o relatório deve dizer em que condição o corpo de prova foi cortado.

Na caixa, a saturação vem só da inundação: não há membrana nem câmara para aplicar contrapressão, recurso que é do triaxial. A inundação não garante saturação completa de um solo compactado; quando o projeto exige saturação comprovada, o ensaio indicado é o triaxial saturado por contrapressão.

O que registrar no relatório

O relatório precisa permitir que outro engenheiro refaça a leitura do ensaio. A ficha abaixo reúne os campos, a partir dos itens de relatório da ASTM D3080 (seção 11 da edição de 2011) e das escolhas que este guia pede para justificar:

Grupo	O que registrar
solo	identificação, classe USCS, dmáx, se o corpo de prova é indeformado, compactado ou reconstituído
corpo de prova	dimensões da caixa, altura inicial, massa seca, umidade inicial e final, densidade e índice de vazios iniciais
condição	inundado ou na umidade natural
adensamento	força normal N e tensão σ, recalque final e duração de cada incremento, t50 ou t90 com a curva usada
corte	velocidade adotada e justificativa; leituras de T, dh e dv
resultados	curvas τ × dh e dv × dh, pico e patamar, critério de τmáx sem pico, fator de área usado ou não
envoltória	c', φ', faixa de tensões ensaiada e R²; desvios do procedimento

Velocidade de ruptura no ensaio de cisalhamento direto: t50, t90 e tempos mínimos

A velocidade de cisalhamento é a taxa de deslocamento horizontal entre as metades da caixa, em mm/min, e é o parâmetro que decide se o ensaio é de fato drenado. Ela precisa ser lenta o bastante para que a água saia dos poros enquanto o solo é cortado, sem gerar poropressão. Quanto menos permeável o solo, mais tempo a água leva para sair, e o próprio adensamento mostra esse tempo. A ASTM D3080 calcula primeiro o tempo mínimo até a ruptura, t_f (fórmulas e tempos desta seção conferidos na edição de 2011):

• se a curva altura × log(tempo) do adensamento estiver bem definida: t_f = 50·t₅₀, em que t₅₀ é o tempo para 50% do adensamento primário;
• se só a curva altura × √tempo estiver bem definida: t_f = 11,6·t₉₀, com t₉₀ o tempo para 90% do adensamento.

O fator 50·t₅₀ vem do trabalho de Gibson e Henkel (1954, Géotechnique), que mediram a influência da duração do ensaio na resistência drenada. Com t_f, a velocidade máxima de corte é R_d = d_f / t_f, em que d_f é o deslocamento horizontal estimado na ruptura. A edição de 2011 indicava d_f = 10 mm para solos finos normalmente adensados ou pouco pré-adensados e 5 mm para os demais; confira esse valor na edição vigente antes de usá-lo.

Quando as curvas de adensamento são mal definidas, ou o solo é muito pré-adensado, a norma dá tempos mínimos até a ruptura por tipo de solo, na classificação SUCS (USCS). A tabela resume esses tempos:

Solo (USCS)	Tempo mínimo até a ruptura
SW, SP (areias com menos de 5% de finos)	10 min
SW-SM, SP-SM, SM (mais de 5% de finos)	60 min
SC, ML, CL, SP-SC	200 min
MH, CH (siltes e argilas de alta plasticidade)	24 h

Exemplo 1: velocidade de corte de uma argila CL

Dados: no adensamento sob 200 kPa, a curva altura × log(tempo) de uma argila de baixa plasticidade (CL), normalmente adensada, deu t₅₀ = 4,0 min. Adota-se d_f = 10 mm.

1. Tempo até a ruptura: t_f = 50 × 4,0 = 200 min. Coincide com o mínimo da tabela para CL, também 200 min.
2. Velocidade máxima: R_d = 10 mm / 200 min = 0,05 mm/min. Qualquer velocidade igual ou menor atende.
3. Variante: se só a curva √tempo fosse clara, com t₉₀ = 9 min, viria t_f = 11,6 × 9 = 104,4 min. Esse valor fica bem abaixo dos 200 min da tabela para CL. A norma pede cautela nesse caso, e adotar 200 min é a escolha conservadora do laboratório. A própria norma alerta que a interpretação por √tempo pode dar velocidades rápidas demais, sobretudo em solos não saturados ou muito rígidos.

O esquema abaixo mostra as duas leituras do Exemplo 1 na curva de adensamento. À esquerda, o t₅₀ de 4,0 min pela construção de Casagrande, na altura do corpo de prova pelo logaritmo do tempo. À direita, a variante com t₉₀ de 9 min pela construção de Taylor, na altura pela raiz do tempo. Observe que a leitura pela raiz do tempo leva a um tempo até a ruptura menor que o mínimo tabelado para CL.

Para comparar: uma argila CH, sem curva confiável, pede pelo menos 24 h (1.440 min) até a ruptura; com d_f = 10 mm, a velocidade cai para 10/1.440 ≈ 0,007 mm/min. É por isso que faixas fixas como "0,01 a 1 mm/min para argilas" podem ser rápidas demais.

O ensaio é drenado ou não drenado?

O ensaio normalizado é adensado e drenado (CD). A ASTM D3080 afirma em nota que o aparelho não é apropriado para ensaios não drenados: a caixa não veda o corpo de prova nem mede a poropressão, e uma velocidade rápida sem controle de volume produz drenagem parcial, de grau desconhecido. A antiga BS 1377-7 dizia o mesmo: a caixa só serve para ensaios drenados.

O efeito da velocidade errada é grande. Bro, Stewart e Pradel (2013, Geo-Congress, ASCE) ensaiaram caulinita normalmente adensada na caixa de cisalhamento em várias velocidades. A razão entre a resistência e a tensão normal de adensamento caiu de 0,53, no ensaio drenado a 50·t₅₀, para 0,26 nos ensaios mais rápidos; numa mistura de caulinita com 20% de bentonita, de 0,40 para 0,16. Ou seja, cortar depressa pode reduzir o resultado à metade, sem que o ensaio "pareça" errado.

Ensaio rápido, adensado rápido e lento: o que significam?

São as três modalidades tradicionais do cisalhamento direto, ainda descritas em roteiros de aula e em propostas de laboratório brasileiros, e correspondem, na intenção, às três modalidades do triaxial. A diferença entre elas é quanto tempo se dá para a água sair, antes e durante o corte. A tabela compara as três com o que de fato acontece na caixa:

Modalidade	Como é feita	Equivalente pretendido no triaxial	O que acontece na caixa
rápido	corte logo após aplicar a tensão normal, sem esperar o adensamento	UU (não adensado, não drenado)	drenagem parcial e desconhecida; não normalizado
adensado rápido	adensa sob a tensão normal e corta depressa	CU (adensado, não drenado)	drenagem parcial e desconhecida; não normalizado
lento	adensa e corta na velocidade calculada pelo t50	CD (adensado, drenado)	drenado; é o ensaio da ASTM D3080

Em areias limpas, que drenam em segundos, as três modalidades dão praticamente o mesmo resultado, porque a água sai mesmo no corte rápido. Em argilas, as duas primeiras dão uma resistência em tensões totais com drenagem incerta, como mostram os ensaios de Bro, Stewart e Pradel. O ensaio lento não precisa levar semanas: com t_f = 50·t₅₀, o corte de uma argila CL leva algumas horas e o de uma CH, no mínimo 24 h, somados ao tempo de adensamento de cada corpo de prova.

Quando o projeto precisa da resistência não drenada, os ensaios indicados são o ensaio triaxial não drenado, que controla a drenagem e mede a poropressão, ou o cisalhamento simples direto (DSS) pela ASTM D6528-24, que mantém o volume constante.

Cálculos do ensaio de cisalhamento direto

Calcular o ensaio de cisalhamento direto é converter as forças medidas em tensões, dividindo-as pela área do corpo de prova, e ajustar uma reta aos pares (σ', τ_máx) dos corpos de prova. Em cada leitura, as tensões nominais são as forças divididas pela área inicial:

• tensão normal: σ = N / A;
• tensão cisalhante: τ = T / A;
• deslocamento horizontal relativo: P_d = 100·d_h / D (%), com d_h o deslocamento e D o lado ou diâmetro;
• velocidade média: R_d = d_h / t.

De cada corpo de prova se tira um ponto (σ', τ_máx). Com os n pontos, a envoltória é a reta de mínimos quadrados:

• tan φ' = Σ(σ_i − σ̄)(τ_i − τ̄) / Σ(σ_i − σ̄)²;
• c' = τ̄ − σ̄·tan φ', com σ̄ e τ̄ as médias.

Exemplo 0: τ e σ lidos na prensa manual

Na prensa manual, a força cisalhante não sai pronta: lê-se o relógio do anel dinamométrico em divisões e multiplica-se pela constante K do anel, T = K·L. Dados (exemplo didático): caixa de 50 × 50 mm, A = 0,0025 m²; força normal N = 250 N; constante do anel K = 2,0 N/divisão (valor hipotético); leitura de pico L = 95 divisões.

1. Tensão normal: σ = 250 N / 0,0025 m² = 100.000 Pa = 100 kPa.
2. Força cisalhante de pico: T = 2,0 × 95 = 190 N.
3. Tensão cisalhante de pico: τ = 190 N / 0,0025 m² = 76.000 Pa = 76 kPa.

Esse é um ponto (σ', τ_máx) da envoltória. A constante K vem do certificado de calibração do anel, não de catálogo.

Exemplo 2: envoltória com três corpos de prova

Dados (exemplo didático, não é resultado de laboratório): caixa quadrada de 60 × 60 mm, A = 0,0036 m², argila arenosa compactada e saturada, ensaio CD. Forças normais de 180, 360 e 720 N; forças cisalhantes máximas de 140,4, 208,8 e 378,0 N.

1. Tensões normais: σ₁ = 180 N / 0,0036 m² = 50.000 Pa = 50 kPa; σ₂ = 100 kPa; σ₃ = 200 kPa.
2. Tensões cisalhantes máximas: τ₁ = 140,4 / 0,0036 = 39 kPa; τ₂ = 208,8 / 0,0036 = 58 kPa; τ₃ = 378,0 / 0,0036 = 105 kPa.
3. Médias: σ̄ = (50 + 100 + 200) / 3 = 116,67 kPa; τ̄ = (39 + 58 + 105) / 3 = 67,33 kPa.
4. Desvios de σ: −66,67, −16,67 e +83,33. Quadrados: 4.444,4 + 277,8 + 6.944,4 = 11.666,7.
5. Desvios de τ: −28,33, −9,33 e +37,67. Produtos cruzados: 1.888,9 + 155,6 + 3.138,9 = 5.183,3.
6. Inclinação: tan φ' = 5.183,3 / 11.666,7 = 0,4443, logo φ' = arctan 0,4443 = 24,0°.
7. Intercepto: c' = 67,33 − 0,4443 × 116,67 = 67,33 − 51,83 = 15,5 kPa.
8. Conferência: a reta prevê 37,7, 59,9 e 104,4 kPa nas três tensões; os resíduos são 1,3, −1,9 e 0,6 kPa, e o coeficiente de determinação é R² = 0,997.

Resposta: τ = 15,5 + σ'·tan 24,0°, em kPa. O gráfico abaixo mostra os três pontos e a reta ajustada, com o intercepto c' no eixo vertical e a inclinação φ':

Exemplo 3: correção de área no pico

Conforme a metade da caixa avança, a área de contato entre as duas partes do corpo de prova diminui. Numa caixa quadrada de lado L, a área corrigida é A_c = L·(L − d_h). No corpo de prova de 200 kPa do Exemplo 2, suponha que o pico tenha ocorrido em d_h = 6 mm:

1. A_c = 60 × (60 − 6) = 3.240 mm² = 0,00324 m².
2. τ_c = 378,0 N / 0,00324 m² = 116,7 kPa (nominal: 105 kPa).
3. σ_c = 720 N / 0,00324 m² = 222,2 kPa (nominal: 200 kPa).
4. Razão: 116,7 / 222,2 = 0,525, igual a 105 / 200 = 0,525.

A correção muda as duas tensões na mesma proporção e não muda a razão τ/σ. A própria ASTM D3080-23e1 (item 5.5) registra que a redução de área gera incerteza sobre as tensões, mas não deve afetar a razão entre elas. A norma admite a correção, desde que o relatório diga qual fator foi usado e por quê.

Exemplo 4: a prensa comporta o ensaio?

A capacidade da prensa limita a tensão máxima que se pode aplicar, e a conta depende da área da caixa. A prensa elétrica automática da Biopdi tem capacidade de 1.000 kgf na força normal e 500 kgf na força cisalhante. Para um ensaio em caixa de 100 × 100 mm (A = 0,01 m², ou 100 cm², o valor digitado na tela de configuração), com tensão normal máxima de 400 kPa e o solo do Exemplo 2:

1. Força normal: N = 400 kPa × 0,01 m² = 4,0 kN = 4.000 / 9,807 = 408 kgf, abaixo de 1.000 kgf.
2. Resistência esperada: τ = 15,5 + 400 × 0,4443 = 15,5 + 177,7 = 193,2 kPa.
3. Força cisalhante: T = 193,2 × 0,01 = 1,93 kN = 197 kgf, abaixo de 500 kgf.
4. Velocidade: os 0,05 mm/min do Exemplo 1 e os cerca de 0,007 mm/min de uma argila CH estão dentro da faixa da prensa, de 0,0001 a 20 mm/min.

Com folga nas duas forças, a célula de carga pode até ser de capacidade menor, o que melhora a resolução para solos moles.

Como interpretar os resultados do ensaio de cisalhamento direto

A interpretação começa nas curvas de cada corpo de prova e só depois chega à envoltória. Cada pergunta abaixo corresponde a uma leitura que o engenheiro faz no relatório.

O corpo de prova teve pico?

A curva τ × deslocamento horizontal tem duas formas típicas, mostradas no esquema abaixo. Solos densos ou pré-adensados sobem até um pico e depois caem para um patamar; solos fofos ou normalmente adensados sobem continuamente até o patamar, sem pico definido. A ASTM D3080 reconhece as duas formas e recomenda levar o corte a grandes deslocamentos, em vez de parar quando a força começa a cair, para registrar também o patamar:

Sem pico, τ_máx é tomado no patamar ou num critério de deslocamento definido no relatório. Esse critério tem de ser o mesmo para os três corpos de prova.

A altura subiu ou desceu durante o corte?

O gráfico de baixo do esquema explica o pico. Num solo denso, os grãos estão encaixados e, para deslizar, precisam subir uns sobre os outros: o corpo de prova aumenta de altura, fenômeno chamado dilatância. Esse trabalho extra contra a tensão normal é o que eleva o pico. Num solo fofo, os grãos se acomodam nos vazios e a altura diminui: é a contração. A inclinação da curva de altura dá uma medida aproximada da dilatância: tan ψ ≈ Δd_v / Δd_h. Se, numa areia densa, a altura sobe 0,30 mm enquanto o deslocamento horizontal avança de 2,0 para 3,0 mm, tan ψ ≈ 0,30 / 1,0 = 0,30 e ψ ≈ 16,7°.

O que significam c' e φ' da envoltória?

φ' é a taxa com que a resistência cresce com a tensão efetiva, e c' é a resistência que restaria com tensão efetiva nula. No Exemplo 2, cada 100 kPa a mais de tensão normal acrescenta 44,4 kPa de resistência, e o intercepto é 15,5 kPa. Os dois só valem dentro da faixa de tensões ensaiada: extrapolar a reta muito abaixo da menor tensão ou muito acima da maior pode superestimar a resistência, porque a envoltória real costuma ser curva.

Um c' positivo em areia é coesão?

Em geral, não. Areias limpas têm c' praticamente nulo. Um intercepto pequeno numa areia densa costuma vir do ajuste de uma reta a uma envoltória levemente curva, ou do efeito da dilatância nas tensões baixas, e não de cimentação entre grãos. Usar esse c' em projeto, sobretudo em taludes rasos, onde a tensão normal é baixa, é contra a segurança.

Os valores estão na ordem de grandeza esperada?

Antes de liberar o relatório, vale comparar o φ' obtido com faixas da literatura. Elas não substituem o ensaio, mas mostram quando algo saiu fora do comum, como uma velocidade rápida demais ou um corpo de prova perturbado. A compilação do geotechdata.info, que reúne livros-texto e normas, dá estas faixas (os valores variam entre autores):

Solo (USCS)	φ' típico
areia fofa (SW, SP)	29° a 30°
areia medianamente compacta (SW, SP)	30° a 36°
areia compacta (SW, SP)	36° a 41°
areia siltosa (SM)	32° a 35°
areia argilosa (SC)	30° a 40°
silte de baixa plasticidade (ML)	27° a 41°
argila de baixa plasticidade (CL)	27° a 35°
argila de alta plasticidade (CH)	17° a 31°

O φ' = 24,0° do Exemplo 2 é baixo para uma argila arenosa e estaria no limite inferior da faixa CL: num caso real, isso pediria conferir a velocidade e a saturação antes de aceitar o resultado.

Como os parâmetros entram no projeto?

Num ponto da superfície de ruptura de um talude, com tensão normal total σ = 150 kPa e poropressão u = 30 kPa, a tensão efetiva é σ' = 150 − 30 = 120 kPa. Com os parâmetros do Exemplo 2, a resistência disponível é τ = 15,5 + 120 × 0,4443 = 68,8 kPa. Sem poropressão, seria 15,5 + 150 × 0,4443 = 82,1 kPa. A diferença, de 13,3 kPa, mostra por que os parâmetros precisam ser efetivos: o nível d'água muda a resistência do mesmo solo.

Resistência de pico e resistência residual

A resistência de pico é a máxima tensão cisalhante que o corpo de prova atinge no corte; a residual é a resistência estável que sobra depois de grandes deslocamentos no mesmo plano. A de pico, τ_p e φ'_p, é a usada para solos intactos, sem superfície de ruptura anterior. Em argilas, porém, a resistência continua caindo com deslocamentos muito grandes, porque as partículas lamelares se alinham no plano de corte. O valor final, estável, é a resistência residual, φ'_r, e é ela que governa escorregamentos reativados e taludes cortados em terrenos com superfícies de ruptura antigas.

Skempton (1985, Géotechnique) mostrou que as argilas pré-adensadas perdem resistência em duas etapas: primeiro até a condição totalmente amolecida, quando a dilatância se esgota, e depois até a residual, quando as partículas se orientam. O residual depende da fração argila e do mineral:

Situação (Skempton, 1985)	φ'r aproximado
fração argila abaixo de cerca de 25%	em geral acima de 20°
caulinita (fração argila de 50% ou mais)	cerca de 15°
ilita	cerca de 10°
montmorilonita	cerca de 5°

A caixa de cisalhamento direto chega ao residual com reversões: ao fim do curso, a metade volta à posição inicial e o corte é repetido várias vezes no mesmo plano, muitas vezes num corpo de prova já pré-cortado. A alternativa é o cisalhamento anelar (ring shear), que gira o corpo de prova sem limite de deslocamento, pela ASTM D6467-21e1 ou pela ISO 17892-10.

Cisalhamento direto ou triaxial?

O cisalhamento direto e o triaxial medem os mesmos parâmetros, c' e φ', mas o direto impõe o plano de ruptura e só é drenado, enquanto o triaxial deixa a ruptura livre e controla a drenagem. No ensaio triaxial, o corpo de prova cilíndrico fica numa célula pressurizada, encamisado por uma membrana, e rompe no plano mais fraco; a drenagem é controlada por válvulas e a poropressão é medida. Daí as três modalidades: UU (não adensado e não drenado), CU (adensado e não drenado) e CD (adensado e drenado). Na caixa, a drenagem é livre. A tabela compara os dois ensaios:

Aspecto	Cisalhamento direto	Triaxial
plano de ruptura	imposto pela caixa	livre, o mais fraco
drenagem	só drenado	UU, CU ou CD, com controle
poropressão	não mede	mede (CU)
tensões no plano	não uniformes; área diminui	estado de tensão conhecido
deformação e módulo	não determina	determina
duração do ensaio drenado	curta: caminho de drenagem pequeno	longa no CD
uso mais forte	interfaces, planos fracos conhecidos, residual	trajetória de tensões, condição não drenada

O cisalhamento direto é mais simples, mais barato e, para solos finos, mais rápido no ensaio drenado, porque a água percorre só metade da altura de 20 a 25 mm. É a escolha natural quando o problema é drenado e o plano de ruptura é conhecido. Quando o projeto depende da resistência não drenada, da poropressão ou do módulo, o triaxial é o ensaio indicado, nas modalidades UU (ASTM D2850), CU (ASTM D4767) ou CD (ASTM D7181). O DSS, já citado, ocupa o meio do caminho: corta o corpo de prova inteiro em cisalhamento simples, a volume constante, sem plano imposto.

Erros comuns e limitações

Os erros mais comuns no ensaio de cisalhamento direto estão na velocidade, no tamanho do corpo de prova e na leitura dos resultados. A maioria dos resultados ruins vem desta lista, e alguns desses erros se repetem em textos sobre o tema:

• Citar a ABNT NBR ISO 12957-1 como norma de solo. Ela trata de geossintéticos e, além disso, foi cancelada em 01/2026. Para solo, a referência é a ASTM D3080.
• Chamar o ensaio de não drenado. A caixa não controla a drenagem; ensaio rápido dá parâmetros de drenagem desconhecida.
• Usar velocidade de tabela sem olhar o adensamento. Uma argila CH pede pelo menos 24 h até a ruptura, e 0,05 mm/min pode ser rápido demais para ela.
• Grão grande demais para a caixa. Respeitar 10·d_máx na largura e 6·d_máx na altura; pedregulho vai para caixa grande. Um corpo de prova de "5 × 5 mm", como aparece em alguns textos, é erro de unidade: o mínimo é 50 mm.
• Falar em saturação por contrapressão na caixa. A caixa de cisalhamento direto não tem como aplicar contrapressão; o corpo de prova é inundado, e saturação comprovada exige o triaxial.
• Cortar areia a 1 a 5 mm/min. Mesmo a areia limpa (SW, SP) pede pelo menos 10 min até a ruptura; com o d_f de 5 a 10 mm da edição de 2011, a velocidade máxima fica entre 0,5 e 1 mm/min. Areia com mais de 5% de finos (60 min) cai para 0,08 a 0,17 mm/min.
• Abertura errada entre as metades. Sem abertura, há atrito metal com metal somado à força; abrindo pela elevação da metade superior, o solo é tracionado no plano de corte.
• Parar o ensaio no pico. Sem o patamar não se distingue pico de residual nem se confere o comportamento.
• Ler o intercepto de uma areia como coesão real. Ver a seção de interpretação.
• Calcular módulo ou deformação cisalhante. A ASTM D3080-23 é clara: as tensões e os deslocamentos não são uniformes e a espessura da zona de ruptura não é definida, então o ensaio não dá deformação nem módulo de cisalhamento.
• Supor que o plano imposto é o mais fraco. Em solo estratificado ou anisotrópico, o corpo de prova deve ser orientado pelo plano de interesse da obra.
• Ensaiar argila rija fissurada sem cuidado. A ASTM D3080-23e1 (item 5.4) alerta que, em argilas rijas muito pré-adensadas, fissuras e descontinuidades podem provocar inclinação excessiva e movimento vertical que anulam o ensaio.
• Definir atrito como força de colisão entre corpos. No solo, atrito é a resistência ao deslizamento entre grãos, proporcional à tensão efetiva normal ao plano.

A prensa de cisalhamento direto da Biopdi

A Biopdi fabrica em São Carlos (SP) a prensa de cisalhamento direto em três versões: manual, com anel dinamométrico e alavanca para pesos de até 1.000 kgf; semi-automática, com célula de carga, LVDTs, motor e tela touchscreen; e elétrica automática, eletromecânica, com 1.000 kgf (10 kN), duas células de carga, dois LVDTs e dois eixos motorizados, um para a força normal e outro para a cisalhante. As caixas de cisalhamento são de 60 × 60 mm e de 100 × 100 mm, em latão e inox. O painel abaixo mostra a versão automática, o papel de cada parte no ensaio e os acessórios:

Na tela, o operador informa a velocidade do eixo horizontal em mm/min, o nome do ensaio, a área do corpo de prova em mm² (de 3.600 a 10.000 mm², as caixas de 60 e de 100 mm) e o critério de parada automática, por força cisalhante máxima ou por deslocamento horizontal máximo. Na fase de adensamento, define a tensão-alvo em kPa, que a prensa mantém constante, e o tempo; no cisalhamento, a aquisição é por intervalo de tempo ou de deslocamento. Durante o corte, a tela mostra a tensão cisalhante e a tensão normal em kPa, as posições horizontal e vertical e a área corrigida em tempo real. As células de carga podem ser trocadas, de 5 a 1.000 kgf, o que permite ajustar a resolução a solos moles ou rijos. O t₅₀ que define a velocidade vem do adensamento, feito na própria caixa ou, para a curva completa de compressibilidade, na prensa de adensamento. A linha de equipamentos para ensaios de solos inclui também a prensa triaxial, estática e dinâmica (esta usada no módulo de resiliência), e a prensa CBR/Marshall, dos ensaios CBR e Marshall.

Vídeo da prensa de cisalhamento direto

O vídeo abaixo mostra as características principais da prensa de cisalhamento direto da Biopdi:

Normas citadas

As normas citadas no artigo estão na tabela abaixo. A edição vigente das normas ASTM e ISO foi conferida em 01/10/2026 nas páginas da ASTM e da ISO (a D3080, de novo em 05/10/2026); a situação da ABNT, em 30/09/2026 no catálogo Target:

Norma	O que trata	Edição
ASTM D3080/D3080M	cisalhamento direto de solos, adensado e drenado	D3080/D3080M-23e1
ISO 17892-10	cisalhamento direto e anelar de solos	2018, confirmada em 2024
ASTM D2435/D2435M	adensamento unidimensional (t50 e t90)	D2435/D2435M-25
ASTM D6467	resistência residual drenada em cisalhamento anelar	D6467-21e1
ASTM D6528	cisalhamento simples direto (DSS), não drenado	D6528-24
ISO 12957-1	atrito de geossintéticos em cisalhamento direto	2018, confirmada em 2024
ABNT NBR ISO 12957-1	versão brasileira (2013) da ISO 12957-1:2005	cancelada sem substituição (01/2026)
BS 1377-7	resistência ao cisalhamento de solos (britânica)	1990, retirada em 2022
ASTM D5607	cisalhamento direto de rocha	D5607-16, retirada em 2025 sem substituta

Conclusão

O cisalhamento direto continua sendo o caminho mais direto para obter c' e φ' de um solo em condição drenada, e o primeiro ensaio pedido em projetos de contenção, fundação e talude. O resultado só é confiável com três condições: velocidade calculada a partir do adensamento, corpo de prova compatível com o maior grão e pelo menos três tensões normais representativas da obra. As limitações, plano de ruptura imposto e ausência de controle de poropressão, não invalidam o método: definem quando ele basta e quando o problema pede um ensaio triaxial.

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