Equipamento de ensaio

O carregamento uniaxial da areia de Coimbra foi realizado com recurso ao edómetro, equipamento existente no Laboratório de Geotecnia do ISEC. O ensaio com recurso a este equipamento é denominado de ensaio edométrico, sendo um ensaio de compressão unidimensional usualmente utilizado para determinar os parâmetros de compressibilidade de solos de baixa permeabilidade, como siltes e argilas. Contudo, o ensaio tem sido aplicado a solos arenosos para estudar a sua resposta ao carregamento uniaxial, analisando a variação do índice de vazios e a possível quebra de partículas após o carregamento (Coop e Lee, 1993; Jovicic e Coop, 1997; Hyodo et al., 2002; McDowell, 2002; McCormack, 2010; Wu et al., 2016).

Para a realização do carregamento uniaxial da areia de Coimbra teve-se como referência a parte 5 da norma BS 1377 de 1990, relativa ao ensaio edométrico. Em seguida, são descritos todos os constituintes do equipamento utilizado, bem como o sistema de aquisição de dados.

4.1.1. Objetivo do ensaio

O ensaio edométrico consiste em carregar uma amostra confinada lateralmente no anel do edómetro através da aplicação de vários incrementos de carga numa única direção. O carregamento origina uma variação de volume da amostra provocada unicamente pela variação da altura, resultando numa diminuição do índice de vazios proporcional ao aumento da tensão aplicada na amostra que está impedida de romper por corte.

4.1.2. Constituintes do equipamento

O equipamento edómetro do Laboratório de Geotecnia do ISEC é apresentado na Figura 4.1, com todos os seus constituintes devidamente legendados. Este equipamento é constituído por

uma haste onde são colocados vários pesos, uma alavanca de carga suportada por um parafuso, um caixilho de carga e uma célula onde é colocada a amostra a ensaiar.

Figura 4.1 - Equipamento edómetro.

É na haste do edómetro que são colocados os pesos correspondentes a cada escalão de carregamento, esta haste possui três furações na extremidade da alavanca de carga. Cada furo diz respeito a um fator de ampliação diferente que aumenta os carregamentos aplicados à amostra nas proporções de 9,62:1; 9,82:1 e 11,04:1 vezes (ver Figura 4.3a)).

A alavanca de carga do edómetro transmite a carga aplicada na haste para o caixilho de carga. O carregamento é transferido ao caixilho de carga através da suspensão da alavanca resultante da descida do parafuso, esta transferência pode ser interrompida através da subida do parafuso que passa a suportar a força exercida sobre a alavanca de carga.

Por sua vez, o caixilho de carga transfere o carregamento à amostra a partir do parafuso ajustado no encaixe da placa de carga existente na célula do edómetro. É sobre a parte superior deste parafuso que está colocado o transdutor de deslocamentos que mede os assentamentos verticais que ocorrem na amostra ensaiada (ver Figura 4.3b)).

A Figura 4.2 ilustra esquematicamente a célula do edómetro, sendo composta por uma pedra porosa inferior, um anel rígido, uma alonga, duas porcas e uma pedra porosa superior conjunta à placa de carga.

Figura 4.2 - Célula do edómetro.

O anel de consolidação da célula do edómetro onde é colocada a amostra a ser ensaiada, é um anel rígido em aço que impede os movimentos laterais da amostra, permitindo apenas a sua deformação vertical. O anel de consolidação original do equipamento - Figura 4.3e) - não foi utilizado em nenhum dos ensaios realizados, porque não é possível produzir provetes de areia de Coimbra neste anel. Para se conseguir montar as amostras foram fabricados dois novos anéis, o anel exibido na Figura 4.3f) para a realização de ensaios com areia no estado seco e o anel da Figura 4.3g) para os ensaios realizados no estado saturado. Sendo que todos os anéis apresentados têm as mesmas dimensões interiores, um diâmetro de 69,8mm e uma altura de 19,1mm.

A alonga apresentada separadamente na Figura 4.3h) permite prolongar a altura do anel, de modo a colocar a placa de carga sem perturbar ou danificar a amostra. A alonga é encaixada sobre o anel de consolidação e é fixada através de duas porcas apertadas nos veios existentes na célula do edómetro.

Por fim, nas extremidades da amostra existem duas pedras porosas que permitem a drenagem livre da água existente na amostra. A pedra porosa inferior tem um diâmetro superior ao diâmetro do anel, e é ilustrada na Figura 4.3d). Nos ensaios realizados com areia no estado seco não foi utilizada a pedra porosa inferior. Em vez disso, foi usada uma placa de aço com as mesmas dimensões incluída no anel, e cuja altura garante a correta montagem de todos os componentes do equipamento. Por sua vez, a pedra porosa superior foi utilizada em todos os ensaios por ser incluída na placa de carga - Figura 4.3i). Este conjunto tem um diâmetro inferior ao diâmetro do anel para permitir o seu movimento vertical durante o ensaio edométrico. A placa de carga tem uma massa de 577,90g e permite a transferência do carregamento uniformemente ao longo de toda a secção transversal da amostra.

a) b) c)

d) e) f)

g) h) i)

Figura 4.3 - Constituintes do edómetro.

4.1.3. Sistema de aquisição de dados

Os deslocamentos verticais que ocorrem durante o ensaio foram registados automaticamente através de um sistema de aquisição de dados. Este sistema é composto por um transdutor de deslocamento ligado a uma estação digital e por um computador com o software GDSLab v2.5.4.26. Os dados medidos pelo transdutor de deslocamentos são registados no software durante o ensaio e gravados num formato do tipo *.gds - Figura 4.4a) e Figura 4.4b). Os resultados são, posteriormente, convertidos num formato que permita o seu tratamento matemático numa folha de cálculo automático, tendo sido utilizado no presente trabalho o MSExcel (*.xlsx).

Antes de iniciar o ensaio edométrico foi necessário fazer a calibração do transdutor de deslocamentos. A calibração foi realizada com recurso a um suporte com um micrómetro do Laboratório de Geotecnia do ISEC exposto na Figura 4.4c). O procedimento de calibração do transdutor de deslocamentos consiste em colocar o transdutor no suporte impondo-lhe vários deslocamentos conhecidos através do micrómetro e registando as leituras no software GDSLab

O transdutor foi colocado no suporte com o seu deslocamento a meio, de modo a conseguir realizar medições de 10mm no sentido positivo e negativo. Os deslocamentos ocorridos no sentido positivo são representativos da diminuição da altura da amostra provocada por um carregamento, isto é, compressão, enquanto os deslocamentos negativos acontecem devido à expansão da amostra nos escalões de descarga (extensão). A reta de calibração do transdutor de deslocamentos é apresentada na Figura 4.5, bem como a respetiva linha de tendência e o coeficiente de determinação (U!).

a) b) c)

Figura 4.4 - Sistema de aquisição de dados: a) janela do software com a respetiva estação de realização do ensaio; b) janela de visualização do ensaio; c) suporte com micrómetro.