Eduardo Manuel Andrade Mendes
O Fenómeno de Consolidação
na Prática Laboratorial
Eduardo Manuel Andrade Mendes
O F enómeno de Consolidação na Pr ática Labor ator ial
Escola de Engenharia
Dissertação de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao
Grau de Mestre em Engenharia Civil
Trabalho efetuado sob a orientação do
Professor Doutor Nuno Miguel Faria Araújo
Eduardo Manuel Andrade Mendes
O Fenómeno de Consolidação
na Prática Laboratorial
AGRADECIMENTOS
Primeiramente gostaria de demonstrar um sincero agradecimento ao Professor Nuno Miguel Faria Araújo que, como meu orientador, contribuiu, em todos os aspetos, para a elaboração da presente dissertação de mestrado. A ele agradeço-lhe o apoio, a disponibilidade, a simpatia, os ensinamentos transmitidos e a infindável paciência.
Aos técnicos de Geotecnia do Laboratório de Engenharia Civil da Universidade do Minho agradeço a partilha de conhecimentos, que muito contribuiu para execução de alguns dos ensaios objeto de estudo neste documento.
A toda a minha família, principalmente à minha mãe e irmã, pelo acompanhamento, conselhos e preocupação demonstrados ao longo desta fase da minha vida.
Agradeço à minha avó por, apesar dos infortúnios da vida nos terem separado, estar hoje em dia presente na minha vida. “Obrigado” por me fazer sentir amparado e acompanhado. “Obrigado” por todo o amor, carinho e dedicação.
Finalmente, um agradecimento especial àquela que tornou mais simples este longo e trabalhoso percurso académico. À minha namorada e colega de curso, um “Muito Obrigado!” por me teres acompanhado, apoiado e por, juntos termos conseguido ultrapassar todas as dificuldades que foram surgindo. “Obrigado” por teres aparecido, por ficares e permaneceres na minha vida. Contigo tornei-me uma pessoa melhor, mais confiante e decidida. Apesar de não acreditares, fizeste por mim mais do que alguma vez possas imaginar. Um agradecimento especial à tua família que ao longo de todos estes anos se tem tornado também a minha.
RESUMO
A perceção do comportamento de um solo é de extrema importância, pois é sobre este que são realizadas a grande maioria das obras de construção civil. No caso de solos finos, a consolidação é um dos principais fenómenos a ter em consideração. Este fenómeno é reproduzido e analisado laboratorialmente através de ensaios de consolidação, realizados em vários equipamentos distintos, com o objetivo de estimar o nível de assentamento e o tempo necessário para que esse esteja concluído.
No entanto, é possível que a informação obtida a partir da realização desses ensaios não seja a mais precisa, quer devido aos procedimentos executados laboratorialmente, quer devido ao tipo de equipamento utilizado, o que condiciona diretamente as simulações numéricas realizadas, principalmente quando as mesmas são necessárias na calibração de modelos constitutivos avançados.
Neste contexto, pretende-se com este estudo contribuir para a melhoria das boas práticas na realização de ensaios laboratoriais de consolidação, quantificando-se a influência do procedimento de ensaio em três equipamentos distintos (i.e., edómetro, célula de Rowe e caixa de corte), sobre um solo argiloso. No que diz respeito à célula de Rowe, pretende-se também proceder à sua implementação no Laboratório de Estruturas (LEST) da Universidade do Minho (UMinho).
No edómetro, realizaram-se ensaios de modo a permitir a análise da reprodutibilidade do ensaio, da influência do incremento de carga aplicado, da influência do grau de saturação inicial do provete e da possibilidade de ocorrência de drenagem radial. Na célula de Rowe, realizaram-se trabalhos para a sua implementação no LEST. E ainda, analisou-se o processo de consolidação no ensaio de corte direto, com vista a identificar e limitar a ineficiência identificada por Pereira (2015).
Palavras-chave: Consolidação; Ensaio edométrico; Célula de Rowe; Caixa de corte direto; Prática laboratorial.
ABSTRACT
The perception of the behavior of a soil is extremely important, because it is where the vast majority of building works is conducted. In the case of fine soils, consolidation is one of the main phenomena to be taken into consideration. This phenomenon is reproduced and analyzed in laboratory by means of consolidation tests, performed on several different equipments, and aiming to the estimating of the settlement level and the time required for its conclusion.
However, it is possible that the information obtained from such tests is not the most accurate, either because of the procedures performed laboratory, or due to the type of equipment used, which directly affects numerical simulations results, especially when they are necessary for the calibration of advanced constitutive models.
In this context, the objective of this study is to contribute to the improvement of good practices in laboratory consolidation tests. This is done by quantifying the influence of the test procedure in three different equipments (i.e., oedometer, Rowe cell and shear box) on a clayey soil. With regard to the Rowe cell, it is also intended to proceed to its implementation in the Structures Laboratory (LEST) at University of Minho (UMinho).
The oedometer tests were performed to allow the analysis of the reproducibility of the test, the influence of the applied load increment, the influence of the initial degree of saturation of the sample and the possibility of radial drainage. Regarding the Rowe cell, work was carried out for its implementation in LEST. In addition, the direct shear test was analyzed to identify and solve the inefficiency identified by Pereira (2015).
ÍNDICE
INTRODUÇÃO E MOTIVAÇÃO DO TRABALHO ... 1
Contextualização ... 1
Objetivos ... 2
Organização do Documento ... 3
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 5
Considerações gerais sobre o fenómeno de consolidação ... 5
Teoria de consolidação de Terzaghi ... 6
Ensaios laboratoriais de consolidação ... 11
2.3.1 Ensaio edométrico ... 11
2.3.2 Ensaio de consolidação na Célula de Rowe ... 17
2.3.3 Ensaio de corte direto ... 26
Parâmetros obtidos a partir de ensaios de consolidação ... 28
2.4.1 Determinação do coeficiente de consolidação vertical... 28
2.4.2 Determinação do valor dos assentamentos numa camada de solo para um determinado carregamento ... 31
2.4.3 Determinação da permeabilidade do solo ... 31
MATERIAIS E METODOLOGIAS ... 33
Introdução ... 33
3.2 Solo ... 33
3.2.1 Caracterização fundamental do solo ... 34
3.2.2 Características iniciais dos provetes ... 37
3.3 Ensaio Edométrico ... 38
3.3.1 Montagem e calibração do equipamento ... 38
3.3.2 Preparação e reconstituição dos provetes ... 39
3.3.4 Procedimentos de ensaio ... 44
3.4 Ensaio de consolidação na célula de Rowe ... 45
3.4.1 Montagem do sistema de ensaio e calibração ... 45
3.4.2 Preparação e reconstituição dos provetes ... 48
3.4.3 Ensaios de implementação realizados ... 50
3.5 Ensaio de corte direto ... 54
3.5.1 Preparação e reconstituição dos provetes ... 54
3.5.2 Tipos de ensaios realizados ... 55
3.5.3 Procedimentos de ensaio ... 55
APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS ... 57
4.1 Ensaio edométrico ... 57
4.1.1 Características iniciais dos provetes ... 57
4.1.2 Assentamento inicial dos provetes ... 57
4.1.3 Influência do incremento de carga... 59
4.1.4 Influência do grau de saturação inicial ... 64
4.1.5 Influência das condições de drenagem ... 68
4.2 Ensaio de consolidação na Célula de Rowe ... 71
4.2.1 Características iniciais dos provetes ... 71
4.2.2 Ensaio CR1 ... 72
4.2.3 Ensaio CR2 ... 72
4.2.4 Ensaio CR4 ... 73
4.2.5 Ensaio CR5 ... 74
4.3 Ensaio de corte direto ... 78
4.3.1 Características iniciais dos provetes ... 78
4.3.2 Melhoramento do processo de consolidação ... 79
4.4 Comparação entre o Edómetro e a Célula de Rowe ... 83
CONCLUSÃO ... 87
5.2 Trabalhos futuros ... 88
REFERÊNCIAS BILIOGRÁFICAS ... 91
Anexo A ... 97
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 – Elemento genérico do estrato de argila (adaptado de Das, 2010) ... 7
Figura 2 – Grau de consolidação vertical (Uv) em função de (Z, Tv) para as condições de fronteira da câmara edométrica (Das, 2010) ... 11
Figura 3 – Equipamento para a realização de ensaios edométricos convencionais... 12
Figura 4 – Efeito da duração da carga na curva e - log 𝜎v′ (adaptado de Das & Sobhan, 2014) ... 14
Figura 5 – Curvas de consolidação de provetes intactos de argila da Cidade do México com diferentes incrementos de carga realizados por Leonards & Altschaeffl (1964) (adaptado de Das & Sobhan, 2014) ... 15
Figura 6 – Efeito do incremento de carga na curva e - log 𝜎v′ (adaptado de Das & Sobhan, 2014) ... 15
Figura 7 – Representação esquemática da célula de Rowe ... 17
Figura 8 – Principais componentes da célula de Rowe disponível no LEST ... 19
Figura 9 – Acessórios da célula de Rowe ... 20
Figura 10 – Tipos de ensaio de consolidação por patamares de carga possíveis de realizar na célula de Rowe... 24
Figura 11 – Resultados da consolidação dos provetes de argila e de solo residual granítico construídos através da técnica de compactação Harvard (Pereira, 2015)... 27
Figura 12 – Determinação do cv segundo o método de Casagrande (Araújo, 2016) ... 29
Figura 13 – Determinação do cv segundo o método de Taylor (Araújo, 2016) ... 30
Figura 14 – Equipamentos utilizados no caso de estudo ... 33
Figura 15 – Solo utilizado no caso de estudo ... 34
Figura 16 – Processo de secagem do solo utilizado no caso de estudo ... 34
Figura 17 – Curva do limite de liquidez do solo utilizado no caso de estudo ... 35
Figura 18 – Curvas granulométricas do solo utilizado no caso de estudo ... 36
Figura 19 – Curva de compactação do solo utilizado no caso de estudo ... 37
Figura 20 – Resultado da calibração do edómetro ... 39
Figura 21 – Procedimento realizado para a preparação das misturas ... 41
Figura 22 – Utensílios utilizados para a preparação dos provetes do ensaio edométrico ... 42
Figura 24 – Colocação da membrana impermeável na base da câmara do ensaio E7 ... 44
Figura 25 – Procedimento para a realização de ensaios edométricos... 45
Figura 26 – Calibração da membrana da célula de Rowe ... 46
Figura 27 – Resultado da calibração da membrana da Célula de Rowe ... 47
Figura 28 – Equipamentos auxiliares utilizados na realização de ensaios na célula de Rowe . 47 Figura 29 – Utensílios utilizados na preparação dos provetes da célula de Rowe ... 48
Figura 30 – Procedimento realizado na preparação de provetes na célula de Rowe ... 49
Figura 31 – Configuração do ensaio de consolidação CR1 realizado com recurso à célula de Rowe ... 50
Figura 32 – Configuração do ensaio CR2, durante a fase da saturação do provete ... 52
Figura 33 – Sistema de vácuo utilizado para recolher totalmente a membrana ... 53
Figura 34 – Configuração do ensaio CR5, durante a fase da saturação do provete (Configuração final) ... 54
Figura 35 – Procedimento para a realização de ensaios de consolidação na caixa de corte .... 55
Figura 36 – Curvas s - log t, dos ensaios E1, E2 e E3 (patamar de carga de 29,60 kPa) ... 58
Figura 37 – Comparação entre as superfícies dos provetes (ensaios E1 e E2) ... 59
Figura 38 – Curvas s - log t, dos ensaios E1, E2, E3 e E4 (patamar de carga de 29,60 kPa) ... 59
Figura 39 – Curvas s - log t, dos ensaios E1 e E2 (patamar de carga de 238,68 kPa) ... 60
Figura 40 – Curvas s - log t, dos ensaios E3 e E4 (patamares de carga de 59,20 kPa; 118,33 kPa e 238,68 kPa) ... 61
Figura 41 – Curvas e - log 𝜎v′obtidas através da realização dos 4 ensaios destinados à avaliação da influência do incremento de carga, pelo método de Casagrande e Taylor ... 62
Figura 42 – Valores do índice vazios no final dos ensaios 4 ensaios, pelo método de Casagrande e de Taylor ... 63
Figura 43 – Curvas s - log t, dos ensaios E1, E2, E5 e E6 (patamar de carga de 29,60 kPa) ... 64
Figura 44 – Curvas s - log t, dos ensaios E1, E2, E5 e E6 (patamar de carga de 238,68 kPa) . 65 Figura 45 – Resultados de s100, t100, cv e k para os ensaios E1, E2, E5 e E6 pelo método de Casagrande e de Taylor ... 66
Figura 46 – Curvas s - log t, dos ensaios E1, E2, E7 e E8 (patamar de carga de 29,60 kPa) ... 68
Figura 47 – Curvas s - log t, dos ensaios E1, E2, E7 e E8 (patamar de carga de 238,68 kPa) . 69 Figura 48 – Resultados de s100, t100, cv e k para os ensaios E1, E2, E7 e E8 pelo método de Casagrande e de Taylor ... 70
Figura 50 – Curvas s - log t, do ensaio CR2 (patamares de carga de 60 kPa, 120 kPa e 240 kPa)
... 73
Figura 51 – Curva s - log t, do ensaio CR4 (patamar de carga de 240 kPa)... 73
Figura 52 – Fase de saturação do provete (Ensaio CR5) ... 74
Figura 53 – Carregamento não drenado (incremento de 30 kPa) ... 75
Figura 54 – Curva s - log t do ensaio CR5 (patamar de carga 240 kPa) ... 76
Figura 55 – Evolução da tensão na membrana e das pressões intersticiais, no decorrer do ensaio de consolidação CR5 ... 76
Figura 56 – Resultados de s100, t100, cv e k para o ensaio CR5, pelo método de Casagrande e de Taylor ... 77
Figura 57 – Curvas s - log t, dos ensaios CC1 e CC2 (patamar de carga de 29,84 kPa) ... 79
Figura 58 – Curvas s - log t, dos ensaios CC1 e CC2 (patamar de carga de 236,26 kPa) ... 80
Figura 59 – a) s100, para os ensaios CC1 e CC2; b) t100, para os ensaios CC1 e CC2 ... 80
Figura 60 – Superfície do provete após a realização do ensaio CC1 ... 81
Figura 61 – Comparação dos tempos de consolidação entre os ensaios realizados na caixa de corte com o ensaio de referência E1 ... 82
Figura 62 – Comparação do tempo de consolidação e assentamento final entre os ensaios E1 e CR5 ... 84
Figura 63 – Construção Casagrande para a curva s - log t, do segundo patamar de carga do ensaio E1 ... 98
Figura 64 – Construção de Taylor para a curva s - √𝑡, do segundo patamar de carga do ensaio E1 ... 99
Figura 65 – Construção das curvas e – 𝜎v′dos ensaios E1, E2, E5 e E6 para a obtenção do coeficiente de compressibilidade volumétrico (Método de Casagrande) ... 105
Figura 66 – Construção das curvas e – 𝜎v′dos ensaios E1, E2, E5 e E6 para a obtenção do coeficiente de compressibilidade volumétrico (Método de Taylor) ... 105
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 – Valores típicos do coeficiente de permeabilidade para solos saturados (adaptado de
Das & Sobhan, 2014) ... 32
Tabela 2 – Características do solo utilizado no caso de estudo ... 37
Tabela 3 – Características iniciais dos provetes utilizados para o caso de estudo ... 38
Tabela 4 – Quantidades utilizadas na preparação das misturas do ensaio edométrico ... 40
Tabela 5 – Tipos de ensaios edométricos realizados ... 43
Tabela 6 – Quantidades utilizadas na preparação das misturas da célula de Rowe ... 48
Tabela 7 – Ensaios de implementação realizados na célula de Rowe ... 50
Tabela 8 – Etapas de carregamento efetuadas na fase de saturação dos provetes ... 51
Tabela 9 – Quantidades utilizadas na preparação das misturas da caixa de corte direto. ... 54
Tabela 10 – Ensaios de consolidação realizados na caixa de corte direto ... 55
Tabela 11 – Características iniciais dos provetes utilizados para a realização de ensaios edométricos ... 57
Tabela 12 – Características iniciais dos provetes utilizados para a realização de ensaios de consolidação na célula de Rowe ... 71
Tabela 13 – Designação das características iniciais dos provetes utilizados para a realização de ensaios de consolidação na caixa de corte direto ... 78
Tabela 14 – Índice de vazios no final do primeiro patamar de carga dos ensaios E1, E2, E3 e E4 ... 99
Tabela 15 – Índice de vazios no final da consolidação primária para os restantes patamares dos ensaios E1, E2, E3 e E4 para o método de Casagrande... 100
Tabela 16 – Índice de vazios no final da consolidação primária para os restantes patamares dos ensaios E1, E2, E3 e E4 para o método de Taylor... 100
Tabela 17 – Dados para a construção da curva e – log 𝜎v′ pelo método de Casagrande ... 100
Tabela 18 – Dados para a construção da curva e – log 𝜎v′ pelo método de Taylor ... 101
Tabela 19 – Coeficiente de consolidação vertical corresponde ao segundo patamar de carga (i.e., 238,68 kPa), dos ensaios E1, E2, E5 e E6, pelo método de Casagrande ... 104
Tabela 20 – Coeficiente de consolidação vertical corresponde ao segundo patamar de carga (i.e., 238,68 kPa), dos ensaios E1, E2, E5 e E6, pelo método de Taylor ... 104
Tabela 21 – Permeabilidade para o patamar de carga considerado (i.e., 238,68 kPa), dos ensaios E1, E2, E5 e E6, pelo método de Casagrande ... 106 Tabela 22 – Permeabilidade para o patamar de carga considerado (i.e., 238,68 kPa), dos ensaios E1, E2, E5 e E6, pelo método de Taylor ... 106
ÍNDICE DE SÍMBOLOS E SIGLAS
Símbolos
s – Assentamento
𝑠e – Assentamento elástico (ou imediato) 𝑠p – Assentamento de consolidação primária 𝑠s – Assentamento de consolidação secundária
ω – Teor em água do solo ωótimo – Teor em água ótimo
ρ – Massa volúmico do solo ρd – Massa volúmica seca
k – Permeabilidade n – Porosidade
u – Pressão intersticial hw – Carga hidráulica
z – Profundidade
A – Área do elemento infinitesimal
vz – velocidade de escoamento na direção z
Qz – Caudal que entra no elemento na direção z ΔQ – Variação de caudal
kz – Coeficiente de vazão i – Inclinação
Δu – Excesso de pressão intersticial
V – Volume
Vv – Volume de vazios ΔV – Variação de volume σv – Tensão vertical
Δ𝜎v – Variação da tensão vertical
σv' – Tensão efetiva vertical
mv – Coeficiente de compressibilidade volumétrica
av – Coeficiente de compressibilidade
𝑒0 – Índice de vazios inicial
∆e – Variação do índice de vazios γ – Peso volúmico do solo
γw – Peso volúmico da água
Z – Fator de profundidade Tv – Fator tempo vertical
H – Maior distância que uma partícula de água tem de percorrer para abandonar o estrato em consolidação em direção a uma fronteira drenante
Uv – Grau de consolidação vertical t – Tempo
𝜎p′ – Tensão de pré-consolidação
cv – Coeficiente de consolidação vertical
ch – Coeficiente de consolidação horizontal
√t – Raiz do tempo
ωl – Limite de liquidez
ωp –Limite de plasticidade
Ip –Índice de plasticidade
G – Densidade das partículas sólidas S – Grau de saturação
Ws – Massa de solo seco Ww – Massa de água WT – Massa total de solo
B – Parâmetro de pressão intersticial de Skempton
Siglas
LEST – Laboratório de Estruturas da Universidade do Minho UMinho – Universidade do Minho
PTE – Princípio das tensões efetivas CRS – ‘Constant Rate of Strain’ CRL – ‘Constant Rate of Load’
CG – ‘Constant Pore Pressure Gradient’ RFC – ‘Restricted Flow Consolidation’ CPR – ‘Constant Pressure Ratio’
INTRODUÇÃO E MOTIVAÇÃO DO TRABALHO
Contextualização
Sempre que se aplica uma solicitação de compressão num solo saturado, por exemplo uma construção, existe um certo nível de assentamento (s), que é da maior importância ser quantificado corretamente (Liu & Evett, 2000). No caso das areias esse assentamento processa-se de forma quaprocessa-se instantânea, não existindo grandes efeitos posteriores. Contudo, quando processa-se tratam de solos finos (e.g., solos argilosos), devido à sua baixa permeabilidade (k), que dificulta a saída da água dos poros, o processo de assentamento pode demorar décadas ou até séculos (Head, 1994), até que ocorra a completa dissipação do excesso de pressão intersticial (Δu), provocado pela solicitação vertical aplicada. Este fenómeno é designado por consolidação e já foi originalmente abordado por Terzaghi e Fröhlic, nos primórdios da Mecânica dos Solos (Vargas, 1977).
Para compreender este processo, Terzaghi propôs um primeiro modelo físico, o qual designou de “edómetro” (Taylor, 1942), passando-se a desenvolver desde então vários equipamentos e métodos de ensaio laboratoriais para estudar o fenómeno. Nos dias de hoje os equipamentos mais utilizados são o edómetro, a célula de Rowe, e a câmara triaxial.
Tradicionalmente, em laboratório, como no caso do Laboratório de Estruturas (LEST) da Universidade do Minho (UMinho), é realizado o ensaio edométrico convencional pois é relativamente simples de realizar embora seja um ensaio moroso e com possíveis limitações associadas. Uma das normas de referência para a realização deste ensaio, sugerida até pelo IPQ (2010), é a ASTM (2011a) e segundo autores como, Taylor (1942), Leonards & Girault (1961), Lo (1961), Crawford (1964) e El-Sohby et al. (1989), existem alguns fatores que podem condicionar os resultados obtidos a partir da realização deste ensaio, nomeadamente: o efeito do atrito entre o provete de solo e o anel edométrico (efeito de atrito lateral), a duração e magnitude de cada incremento de carga, o grau de perturbação e de saturação inicial do provete, o efeito da temperatura, o diâmetro e altura do provete e a possibilidade de ocorrência de drenagem radial.
Torna-se então importante analisar a qualidade da informação obtida neste ensaio, verificando-se a influência ou não destes parâmetros, pois estes podem condicionar trabalhos realizados posteriormente que tenham por base os resultados deste ensaio.
Em alternativa ao ensaio edométrico, podem-se realizar ensaios de consolidação recorrendo à célula de Rowe. Este equipamento possui vantagens em relação ao edómetro convencional, nomeadamente: a possibilidade da utilização de um provete de maiores dimensões, o tipo de drenagem (i.e., vertical, horizontal ou mista) e a possibilidade do controlo da pressão intersticial (u) do provete durante todo o ensaio (Head, 1998; Gandaio, 2012). A célula de Rowe encontra-se disponível no LEST-UMinho, mas aquando do início deste estudo não encontra-se encontrava inencontra-serida nas competências laboratoriais do mesmo. Sabendo-se que, com a sua implementação no laboratório se acrescentará maior rigor, qualidade e capacidade de investigação neste tipo de ensaios, este será um dos principais pontos a explorar nesta dissertação.
Existem outros equipamentos cujo objetivo principal não é o da realização de ensaios de consolidação, mas em que esta é uma das fases necessárias para a realização do mesmo. Um desses equipamentos é a caixa de corte, que permite realizar um dos ensaios mais comuns na prática laboratorial, e é composto por duas fases, a de consolidação e a de corte. Na caixa de corte existente no LEST-UMinho, foi identificado por (Pereira, 2015) um problema no processo de consolidação do provete. Este autor verificou a ocorrência da consolidação do provete de forma praticamente instantânea e com grande nível de assentamento inicial, o que sugere que algo no sistema de ensaio não apresentava o devido funcionamento e com isso os resultados se encontravam deturpados. Sendo da maior importância analisar e corrigir o problema existente neste equipamento de forma a se obterem bons resultados, é de todo vantajosa a realização de ensaios de consolidação e proceder posteriormente à comparação dos resultados, com os obtidos nos ensaios edométricos.
Objetivos
Nesta dissertação pretende-se estudar, no LEST-UMinho, a influência dos procedimentos de ensaio de consolidação, em três equipamentos (i.e., edómetro, célula de Rowe e caixa de corte), sobre um solo argiloso com a designação comercial de Faiança FC 35.
Reconhecendo a existência de algumas limitações na realização do ensaio edométrico, pretende-se analisar e retirar as devidas conclusões acerca da influência dos seguintes fatores: (a) magnitude do incremento de carga aplicado ao provete, (b) saturação inicial do provete, e (c) possibilidade de ocorrência de drenagem radial no edómetro. Também será analisada a reprodutibilidade do ensaio através da sua dupla realização, nas mesmas condições iniciais.
Por forma a adicionar mais competências ao LEST-UMinho, pretende-se noutra fase dos trabalhos, proceder à implementação da célula de Rowe. Após a sua implementação, serão realizados ensaios de consolidação que permitam comparar os resultados obtidos nesta, com os dos ensaios edométricos realizados, retirando-se as principais conclusões.
Tendo em conta o problema identificado por Pereira (2015) no processo de consolidação da caixa de corte, o último objetivo desta dissertação será identificar e corrigir o mesmo, por forma a melhorar a qualidade dos ensaios realizados neste equipamento.
Organização do Documento
Este documento encontra-se organizado em 5 capítulos, cujos conteúdos são a seguir descritos:
Capítulo 1: Este é o capítulo introdutório desta dissertação, no qual é realizado o enquadramento geral do tema e são clarificados os objetivos que se pretendem atingir. Por fim, é apresentada a organização do documento.
Capítulo 2: Neste capítulo apresenta-se uma revisão bibliográfica, encontrando-se toda a informação considerada relevante para levar a cabo o estudo pretendido e posteriormente auxiliar nas análises e conclusões do mesmo. Será atribuída especial importância a matérias como: (a) considerações gerais sobre o fenómeno da consolidação, (b) descrição da teoria unidimensional de Terzaghi, (c) reunião das principais investigações já realizadas acerca das limitações existentes no edómetro, (d) estudo pormenorizado acerca da célula de Rowe, (e) breve apresentação acerca do ensaio de corte direto e identificação do seu problema, (f) determinação dos parâmetros obtidos a partir dos ensaios de consolidação.
Capítulo 3: Neste capítulo é apresentada a metodologia seguida para a caracterização fundamental do solo e seguidamente a utilizada para a realização de ensaios de consolidação nos 3 equipamentos já referidos.
Capítulo 4: Este capítulo é dedicado à apresentação e análise dos resultados obtidos neste estudo. Primeiramente são apresentados e analisados os resultados obtidos nos ensaios edométricos. De seguida apresentam-se os resultados obtidos a partir da realização de ensaios de consolidação na célula de Rowe e posteriormente são apresentados e comentados os resultados do ensaio de corte direto. Também se realiza a comparação dos resultados entre a célula de Rowe e o edómetro.
Capítulo 5: Neste último capítulo, estão presentes e são explanadas de forma crítica as principais conclusões obtidas. Para além disso, são sugeridos estudos que possam ser desenvolvidos futuramente.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Considerações gerais sobre o fenómeno de consolidação
O solo é um material constituído por um conjunto de partículas sólidas, deixando entre si vazios que podem ser, parcial ou totalmente preenchidos com água (Caputo, 1988).
Como se sabe, o estudo da consolidação dos solos é de especial relevância para a Engenharia Geotécnica, porque para qualquer construção a previsão dos assentamentos é um problema que deve ser analisado com muito cuidado (Mejía, 2007). Segundo Punmia et al. (2005) e Das (2010) esse assentamento pode ser causado por:
a) Deformação (i.e., compressão) das partículas do solo;
b) Compressão das partículas do fluído intersticial (i.e., água) dos vazios; c) Expulsão do fluído intersticial (i.e., água) ou do ar existente nos vazios; d) Rearranjo do esqueleto sólido do solo.
Como a compressibilidade das partículas de solo e água é praticamente nula quando comparada com a do esqueleto sólido, admite-se que a expulsão da água, no caso de um solo saturado, ou do ar, no caso de um solo não saturado, com consequente rearranjo do esqueleto sólido do solo, é o principal fator desse assentamento (Das, 2010), estabelecendo-se as teorias da consolidação neste pressuposto (Head, 1994).
Em geral o assentamento do solo, devido a cargas aplicadas, é divido em três fases: a) Assentamento elástico (ou imediato) (𝑠e);
b) Assentamento de consolidação primária (𝑠p); c) Assentamento de consolidação secundária (𝑠s).
O assentamento elástico é causado pela deformação elástica do solo sem qualquer alteração no teor em água (ω). Os cálculos dos assentamentos podem ser analisados por recurso a equações derivadas da teoria da elasticidade, assumindo que o fenómeno de consolidação não é condicionante.
Quanto ao assentamento de consolidação primária, é o resultado de uma variação do volume (ΔV) do solo devido à expulsão de água que ocupa os espaços vazios. Quanto menor a permeabilidade do solo mais lento é este processo.
Já o assentamento de consolidação secundária, é o resultado do ajuste plástico do solo e começa no final da consolidação primária. É uma forma adicional de compressão que ocorre a tensão efetiva vertical (σv' ) constante (Das, 2010).
Teoria de consolidação de Terzaghi
Para interpretar e compreender o processo de consolidação de solos argilosos, Terzaghi (1925) desenvolveu a primeira teoria de consolidação, reconhecida como a teoria de consolidação unidimensional de Terzaghi, propondo um modelo físico, o qual designou de “edómetro”, apresentando mais tarde a formulação matemática da sua teoria (Terzaghi e Fröhlic, 1936). O principal fator a ser estudado durante o processo de consolidação é o tempo de assentamento (t), sendo esse o principal objetivo da sua teoria.
Segundo Head (1994) e Das (2007), os pressupostos em que a teoria de consolidação de Terzaghi é baseada, são os resumidos a seguir:
a) A camada de solo a ser consolidada é horizontal, homogénea, de espessura uniforme e lateralmente confinada;
b) O solo está completamente saturado, isto é, os vazios estão completamente preenchidos com água;
c) Tanto a água como as partículas de solo são incompressíveis; d) A lei de Darcy é válida;
e) A permeabilidade (k) e o coeficiente de compressibilidade volumétrica (mv) são constantes ao longo da camada de solo;
f) A tensão vertical (σv) aplicada é uniforme ao longo de um plano horizontal;
g) Tanto o movimento da água como o das partículas do solo só se verifica na direção vertical;
h) O índice de vazios do solo (e) varia linearmente com o acréscimo de tensão efetiva vertical durante o processo de consolidação (i.e., inexistência de fluência do esqueleto sólido);
i) O excesso de pressão intersticial inicial, gerado pela aplicação da solicitação vertical, é uniforme em toda a profundidade da camada de argila;
j) A prolongada duração do período de consolidação é inteiramente devida à permeabilidade do solo;
k) Uma ou ambas as camadas adjacentes à camada de argila são perfeitamente drenadas em comparação à camada de argila;
l) O peso volúmico do solo (γ) pode ser desprezado;
m) Os efeitos, os fenómenos e o seu curso em elementos de dimensões infinitesimais são extrapoláveis para dimensões representativas de um maciço real;
n) É válido o princípio das tensões efetivas (PTE) e a hipótese dos pequenos deslocamentos.
Nestas condições, considera-se um estrato de argila saturado, de espessura 2H (Figura 1a), situado entre dois estratos de areia altamente permeáveis. Quando a argila é sujeita a uma variação (i.e., aumento) da tensão vertical (Δ𝜎v) a pressão intersticial na linha do ponto A irá
aumentar. Desta forma, considerando um elemento de dimensões infinitesimais em A, de área
dA =dxdy e de espessura dz, com capacidade de drenagem apenas na direção vertical (dz)
(Figura 1b), submetido a um incremento de tensão total vertical aplicado num dado instante, que depois se mantém constante, é possível deduzir a equação que governa o fenómeno de consolidação unidimensional.
a) b)
Figura 1 – Elemento genérico do estrato de argila (adaptado de Das, 2010)
Sendo válida a lei de Darcy, o caudal que entra no elemento (Qz) é dado por:
Em que: vz = kz i (2) Então: Qz = kz i dxdy = kz (-∂h ∂z) dxdy (3)
E o caudal que sai do elemento (Qz) por:
Qz = (vz+ ∂vz ∂z dz) dxdy = kz [-∂h ∂z+ ∂ ∂z (-∂h ∂z) dz] dxdy (4)
Sendo a diferença entre o caudal que entra e sai (∆Q) (devido á diminuição de volume originada pela consolidação):
∆Q = - kz∂
2h
∂z 2 dxdydz (5)
O volume de vazios do elemento (Vv) de solo considerado é dado por:
n = Vv V = e 1 + e⇔ Vv = e 1 + eV = e 1 + e dxdydz (6)
Com a variação no tempo dada por:
∂Vv ∂t = ∂ ∂t (-e 1 + ei dxdydz) (7)
Por se admitir que o volume de partículas sólidas Vs = 1 +V e
i não varia no tempo, resulta:
∂Vv ∂t = -dxdydz 1 + ei ∂e ∂t (8)
Como se assume que o solo está saturado e que tanto a água como as partículas sólidas são incompressíveis, a velocidade da variação do volume de vazios deve ser igual ao valor do caudal de água que é expelido do elemento.
- kz∂ 2h ∂z2 dxdydz = -dxdydz 1 + ei ∂e ∂t ⇔ kz ∂2h ∂z2 = 1 1 + ei ∂e ∂t (9)
Para uma dada profundidade (z) constante, a carga hidráulica total (h) é dada por:
h = z + hw ⇔ h = z + u
γw (10)
Derivando em ordem a (𝑢) origina:
∂h ∂u = 1 γw ⇔ ∂ 2h = 1 γw ∂ 2u (11) De onde resulta: kz γw ∂2u ∂z2 = 1 1 + ei ∂e ∂t (12) Partindo da equação: mv = 1 1 + ei ∆e ∆σz' (13)
E, atendendo que (mv) foi assumido constante, é possível estabelecer que:
mv = - 1 1 + ei
∂e
∂σz' (14)
Que na equação (12) conduz a:
kz γw ∂2u ∂z2= - 𝑚v ∂σz' ∂t (15)
Como a tensão total vertical aplicada é constante, recorrendo ao princípio da tensão efetiva de Terzaghi tem-se:
∂σz' ∂t = -∂u ∂t (16) E, portanto: kz γwmv ∂2u ∂z2 = ∂u ∂t (17)
Definindo-se o coeficiente de consolidação vertical (cv) com os termos constantes da relação
anterior:
cv = kz
γwmv (18)
Estabelecendo-se a equação que governa o fenómeno de consolidação unidimensional:
cv∂
2u
∂z2 = ∂u
∂t ∎ (19)
Integrando esta expressão, pode-se fornecer a evolução no espaço e no tempo, a dissipação do excesso de pressão intersticial.
Para a obtenção de soluções desta equação, de aplicação generalizada, em alternativa a z e t, isto é, às grandezas que representam o espaço real e o tempo real, há vantagem em trabalhar com outras, diretamente proporcionais àquelas, mas de natureza adimensional, cujas expressões são: 𝑍 = 𝑧 𝐻 (20) Tv = cv t H2 (21)
Sendo (Z) o fator de profundidade, (Tv) o fator tempo vertical e (H) a maior distância que uma partícula de água tem de percorrer para abandonar o estrato em consolidação, em direção a uma fronteira drenante.
∂2u
∂Z2 = ∂u ∂Tv
∎ (22)
A solução da equação de consolidação (22), para um estrato com duas fronteiras drenantes e distribuição retangular do excesso de tensão intersticial inicial, foi deduzida por Terzaghi, e a mesma pode ser apresentada de forma gráfica, como ilustrado na Figura 2, fornecendo uma imagem completa no espaço e no tempo do incremento de pressão intersticial.
Figura 2 – Grau de consolidação vertical (Uv) em função de (Z, Tv) para as condições de
fronteira da câmara edométrica (Das, 2010)
Ensaios laboratoriais de consolidação
2.3.1 Ensaio edométrico
O ensaio edométrico de consolidação já é reconhecido como uma norma laboratorial desde 1945. Hoje em dia, apesar de estarem disponíveis ensaios mais sofisticados, utilizando provetes de maior dimensão, estes ensaios são ainda reconhecidos como o ensaio padrão na determinação das características de consolidação (Head, 1994). No entanto, existem diversos problemas associados a este ensaio, que serão descritos seguidamente. Na Figura 3 encontra-se o equipamento utilizado na realização de ensaios edométricos convencionais.
a) Bancada edómetrica b) Câmara edométrica
Figura 3 – Equipamento para a realização de ensaios edométricos convencionais
Tamanho e grau de perturbação do provete
Desde logo, o tamanho do provete que câmara edométrica pode acomodar (i.e., 50 mm de diâmetro e 20 mm de espessura) que é relativamente pequeno, fazendo por um lado com que a velocidade de percolação seja muito elevada (devido à sua baixa espessura) e por outro se tornem mais visíveis os erros derivados de ajustes iniciais.
Segundo (Gofar, 2006), o grau de perturbação do provete, possui um efeito pronunciado sobre os resultados do ensaio, fazendo com que o nível de assentamento seja muitas vezes subestimado, isto é, o assentamento total é atingido num tempo mais curto do que o previsto.
Berre (2014), levou a cabo uma série de ensaio edométricos utilizando provetes com diferentes graus de perturbação e concluiu que existe uma grande influência do grau de perturbação do provete nos resultados dos ensaios, principalmente quando se pretende estimar o grau de pré-consolidação (𝜎p′), podendo este valor estar 40% abaixo do real.
Como forma de contornar esta limitação, a ASTM (2011a) refere a necessidade de se preparar cuidadosamente o provete, minimizando a perturbação do mesmo.
Efeito do atrito lateral entre o provete e o anel edométrico
O principal problema associado ao ensaio edométrico é o efeito do atrito lateral entre o provete e o anel. Esta limitação, foi exaustivamente estudada por diversos autores nomeadamente,
Taylor (1942), Leonards & Girault (1961), Battacharya (1979) e Biswas (1993). A principal conclusão a que estes autores chegaram foi que, o efeito do atrito entre o provete e o anel provoca uma redução na carga aplicada verticalmente, resultando consequentemente em previsões de índices de vazios e de assentamento menores do que os valores que se esperariam, se a carga aplicada fosse totalmente absorvida pelo solo. Outra das conclusões a que chegaram foi que, no caso de provetes reconstituídos, o efeito do atrito lateral é superior quando comparado a provetes intactos. Taylor (1942) quantificou o atrito lateral e indicou que no caso de provetes reconstituídos de argila, a força de atrito está compreendida entre os 12% e os 22% da força total aplicada, e no caso de provetes intactos de argila, a força de atrito está compreendida entre os 10% e os 15%.
Diversos métodos para minimizar o atrito lateral foram estudados por diferentes investigadores. Thomson & Ali (1969), concluíram que o atrito lateral pode ser reduzido polindo-se a parede interior do anel edométrico e passando-se pela mesma uma fina camada de graxa de silicone.
Mais recentemente, El-Sohby et al. (2005), conduziram uma série de ensaios edométricos com o objetivo de verificar qual a melhor solução para reduzir o atrito lateral, considerando 4 métodos diferentes. No primeiro, tentaram minimizar o contacto entre o anel e o provete através da colocação de papel de filtro. No segundo, dividiram o provete em 6 camadas de 4 mm, reduzindo desta forma a intensidade do atrito lateral ao logo da altura do anel. No terceiro, lubrificou-se a parede interior do anel com graxa de silicone, e no último método, por forma a minimizar os custos associados ao método anterior, os autores utilizaram uma fina camada de cera, em substituição da graxa de silicone. Com este estudo, os autores concluíram que a colocação de uma fina camada de cera na parede interior do anel seria o método mais eficiente para reduzir o atrito lateral.
Duração do incremento de carga
Crawford (1964), conduziu vários ensaios edométricos numa argila marinha, onde várias questões relacionadas com este ensaio foram levantadas. No ensaio edométrico convencional a carga é aplicada ao provete e mantida constante durante um período de 24 horas, sendo duplicada ao fim desse tempo. No estudo realizado por este autor, o objetivo seria compreender o que aconteceria à curva do índice de vazios em função do logaritmo da tensão efetiva vertical (e - log 𝜎v′), se o tempo de duração da carga fosse diferente das 24 horas.
Para tal, considerou 3 intervalos de tempo diferentes entre cada patamar de carga, ou seja, o tempo necessário para o fim da consolidação primária, 24 horas e 7 dias depois da aplicação da carga. As curvas de assentamento em função do logaritmo do tempo (s - log t) obtidas em cada patamar carga, de cada intervalo de tempo considerado, foram utilizadas para construir a curva
e - log 𝜎v′ da Figura 4. Com as curvas obtidas, o autor utilizou o método de Casagrande para
determinar a tensão de pré-consolidação (σp').
Da análise dos resultados obtidos, o autor concluiu que quando a duração do carregamento é superior a 24 horas, a curva e - log 𝜎v′ move-se gradualmente para a esquerda. Significando isto que, quanto maior o tempo de duração do patamar, para uma qualquer tensão vertical aplicada, menor será o índice de vazios. Tal, pode ser justificado pelo facto de a consolidação secundária aumentar em função do tempo de duração do patamar de carga. Em termos de tensão de pré-consolidação, o autor concluiu que quanto maior tempo de duração do patamar de carga menor é esta tensão.
Figura 4 – Efeito da duração da carga na curva e - log 𝜎v′ (adaptado de Das & Sobhan, 2014)
Magnitude do incremento de carga
Leonards & Altschaeffl (1964), considerando provetes intactos de argila da Cidade do México, estudaram o que aconteceria à curva e - log 𝜎v′, se o incremento de carga não fosse duplicado,
ou seja, se 𝛥𝜎
𝜎′ ≠ 1, em que, 𝛥𝜎, é a tensão aplicada ao provete e, 𝜎′, é a tensão efetiva instalada
no provete antes de um novo incremento. Analisando as curvas de s - log t obtidas, representadas na Figura 5, os autores concluíram que para valores de 𝛥𝜎
𝜎′ ≤ 0,25, o fim da
Figura 5 – Curvas de consolidação de provetes intactos de argila da Cidade do México com diferentes incrementos de carga realizados por Leonards & Altschaeffl (1964) (adaptado de
Das & Sobhan, 2014)
Relativamente ao gráfico e - log 𝜎v′ (Figura 6), os autores verificaram que quando o incremento
de carga aplicado no provete é superior à tensão efetiva já nele instalada (i.e., 𝛥𝜎
𝜎′ > 1), a curva e - log 𝜎v′ correspondente, desce em relação à curva obtida quando o incremento de carga é
igual à tensão efetiva instalada no provete (i.e., 𝛥𝜎
𝜎′ = 1). O fenómeno inverso acontece quando
o incremento de carga aplicado no provete é inferior à tensão efetiva nele aplicado. Outras das conclusões a que os autores chegaram foi a que à medida que se aumentava o incremento de carga menor era o índice de vazios.
Figura 6 – Efeito do incremento de carga na curva e - log 𝜎v′ (adaptado de Das & Sobhan,
Verificação da saturação e medição da pressão intersticial
Uma das grandes limitações deste ensaio, referida na ASTM (2011a) é a incapacidade de se conseguir verificar a saturação do provete antes da realização do ensaio. Para além disto, outra limitação é devida ao fato de neste ensaio não haver forma de medir o excesso de pressão intersticial, baseando-se o grau de consolidação unicamente nas medições da altura do provete (Head, 1994).
Efeito da temperatura
Outro dos problemas que afeta diretamente os resultados dos ensaios edométricos, é o efeito da temperatura (Lo, 1961). Este fator afeta principalmente a consolidação secundária. Com o aumento da temperatura verifica-se um aumento no declive da curva e - log 𝜎v′, na fase de
consolidação secundária. Este aumento, origina uma expansão do anel edométrico, reduzindo a tensão normal existente entre o solo e o anel. Desta forma, o atrito lateral do anel relativamente ao solo diminui, e consequentemente aumenta a tensão aplicada ao solo resultando numa maior consolidação.
Para além de Lo (1961), outros autores como Kaul (1963) e Hahibagahi (1969), também estudaram as consequências do efeito da temperatura na consolidação secundária, através da realização de diversas séries de ensaios edométricos a diferentes temperaturas constantes. Estes concluíram que o efeito da temperatura não seria uma variável significativa e, por conseguinte, não haveria necessidade de ter-se em conta este parâmetro, em ensaios realizados laboratorialmente.
Segundo a ASTM (2011a), o ensaio deve decorrer a temperatura ambiente com flutuações máximas de ± 4 ºC e o equipamento nunca deve ser exposto diretamente à luz solar.
Efeito da deformabilidade do edómetro
Segundo El-Sohby et al. (1989), o deslocamento medido pelo sensor de posição colocado no topo da câmara edométrica não corresponde apenas à deformação do provete, mas também à deformabilidade associada aos vários constituintes do edómetro. Uma das formas de contornar
esta limitação indicada em ASTM (2011a), consiste na calibração do aparelho. Para isso, coloca-se uma placa metálica no interior da câmara edométrica em substituição do provete, e seguidamente realizam-se ciclos de carga e descarga, tal como de um ensaio edométrico se tratasse, medindo-se a deformação instantânea em cada patamar de carga aplicado.
2.3.2 Ensaio de consolidação na Célula de Rowe
A célula de Rowe, representada na Figura 7, foi desenvolvida em 1966, na Universidade de Manchester, pelo professor P. W. Rowe (Premchitt et al., 1995), com o objetivo de colmatar as principais limitações do edómetro (Sarsby, 2000), algumas delas já abordadas no ponto anterior.
As principais diferenças entre estes dois equipamentos, residem no diferente modo de funcionamento, na forma como é aplicada a carga ao provete e também no fato deste poder ser preparado dentro da própria célula, no caso de provetes reconstituídos (Sarsby, 2000).
Figura 7 – Representação esquemática da célula de Rowe
Descrição da célula e acessórios
Foram 3 os modelos comerciais da célula desenvolvidos pelo professor Rowe, podendo estes ser distinguidos pelo diâmetro do provete que podem acomodar (i.e., de 75 mm, 150 mm e 250
mm) (Head, 1998). Segundo Smith (2014), existe também atualmente, um modelo da célula de 500 mm de diâmetro, mas apenas é utilizado para investigação.
Analisando de um modo geral a constituição da célula, pode-se dizer que esta é divida fundamentalmente em três componentes: o topo, o corpo e a base (Figura 8), todas elas fabricadas em liga de alumínio para impedir problemas de corrosão (Head, 1998; Gandaio, 2012).
O topo da célula (Figura 8a) está equipado interiormente por uma membrana flexível, de borracha natural ou sintética, que permite a transmissão de tensão uniforme ao provete, através da injeção de água ou ar sob pressão. A ligar à membrana existe um êmbolo, com dupla função, a de permitir a colocação de um sensor de posição (e.g. LVDT), para a leitura de deslocamentos, e a recolha da água pelo topo, através do circuito hidráulico de drenagem (A), pela abertura da válvula (1) (Figura 7). Ainda no topo existe a válvula (2), que permite a entrada de ar ou água através do circuito (B) aplicando tensão na membrana, que por sua vez é transmitida ao provete. Para evitar a presença de ar na membrana, existe também uma purga pela qual o ar pode ser retirado.
Quanto ao corpo (Figura 8b), é flagelado em cada uma das extremidades, para permitir uma boa conexão entre a base e o topo, garantindo a sustentação da membrana e a colocação de dois corpos quando necessário. Na extremidade superior deste, existe um circuito hidráulico de saída (C) que conduz à válvula (3), designada por anel drenante. Esta apenas é aberta quando se pretende realizar ensaios de drenagem radial excêntrica.
Já na base da célula (Figura 8c), existe um o-ring que permite a correta vedação entre esta e o corpo. No centro da base existe uma pequena reentrância circular, à qual é encastrada uma peça cerâmica porosa, sendo este o principal ponto para a medição da pressão intersticial do provete durante o ensaio de consolidação. Para permitir a leitura da pressão, é conectado entre as válvulas (4) e (5) um sensor de pressão, e mantém-se a válvula (5) fechada. Quando a válvula (5) é aberta, permite a drenagem através da base, pelo circuito hidráulico (D). Nas células de maior dimensão (i.e., 150 mm e 250 mm) existe um ponto adicional de medição de pressão na base (Head, 1998; Farnsworth, 2008).
a) Topo b) Corpo c) Base Figura 8 – Principais componentes da célula de Rowe disponível no LEST
Segundo a BSI (1990), para a realização de diferentes tipos de ensaios na célula de Rowe, existem vários tipos de acessórios:
a) Placa rígida circular;
Esta placa, apenas é utilizada quando se pretende efetuar ensaios a deformação uniforme, sendo colocada imediatamente abaixo da membrana. Esta possui um buraco de drenagem central para evitar que o ar fique acumulado por baixo (Figura 9a).
b) Disco poroso de bronze;
Quando se pretende realizar ensaios de consolidação a deformação uniforme, deve ser colocado este disco na parte superior do provete, imediatamente abaixo da placa rígida. Este disco poroso permite recolher a água drenada verticalmente pelo topo durante o processo de consolidação (Figura 9b).
c) Disco poroso de Vyon (Espessura de 3 mm);
Este disco deve ser utilizado sempre que se pretende efetuar o ensaio a tensão uniforme, pois com a sua utilização garante-se flexibilidade e uniformidade de carregamento no topo do provete.
d) Folhas porosas de Vyon (Espessura de 1,5 mm).
Estas folhas porosas, existem para que se possam efetuar ensaios com drenagem periférica e devem ser instaladas antes da colocação do provete no interior da célula de Rowe (Figura 9c e d).
a) b) c) d) Figura 9 – Acessórios da célula de Rowe
Vantagens da utilização da célula de Rowe
De acordo com Head (1998), a célula de Rowe é detentora de enumeras vantagens quando comparada ao equipamento de consolidação edométrico convencional, sendo as seguintes as que mais se destacam:
a) o uso de um sistema de carregamento hidráulico;
b) a facilidade de controlo e capacidade de medição da pressão intersticial; c) possibilidade de saturação do provete e posterior verificação;
d) a capacidade de ensaiar provetes de grande diâmetro;
e) a possibilidade da definição das condições de aplicação de carregamento e de drenagem.
Com a utilização de um sistema de carregamento hidráulico, o provete torna-se menos suscetível aos efeitos de vibração que, aliado à capacidade de testar provetes de grande dimensão, permite aplicar facilmente tensões elevadas (i.e., até 1000 kPa), possibilitando grandes assentamentos (Head, 1998). Também a correção da deformação devido ao sistema de carregamento, necessária realizar quando o carregamento é alavancado, deixa de ser necessária.
Uma característica fundamental da célula Rowe é a capacidade de controlar a drenagem, permitindo medir a pressão intersticial durante o decorrer do ensaio. Por conseguinte, podem ser aplicadas diferentes condições de drenagem no provete e o carregamento pode ser aplicado em condições não drenadas, possibilitando a medição do assentamento imediato separadamente do assentamento de consolidação, que começa quando a válvula de drenagem é aberta. Com a
possibilidade de medir a pressão intersticial com precisão em qualquer instante e com resposta imediata é possível definir o início e o fim da fase de consolidação primária. O volume de água drenado pela amostra pode ser medido, bem como a superfície de assentamento.
Outra característica deste equipamento é a possibilidade de saturar o provete aplicando uma contrapressão para que, antes de se iniciar a consolidação se esteja perante condições in situ mais desfavoráveis (Gofar, 2006).
Segundo McGown et al. (1974), que realizaram estudos de consolidação com amostras de diferentes diâmetros recorrendo à célula de Rowe, e Lo et al. (1976), a utilização de uma amostra com grande diâmetro (i.e., 150 mm de diâmetro e 50 mm de espessura, ou superior) permite ter em conta o efeito de fábrica do solo (i.e., o tamanho, a forma e o arranjo das partículas sólidas, inclusões orgânicas e vazios) e a menor influência do fenómeno de consolidação secundária, permitindo uma estimativa mais realista do coeficiente de consolidação vertical (cv), especialmente para baixas tensões, do que o obtido através de ensaios
de consolidação convencionais. Segundo Rowe (1968), tal é comprovado com a comparação dos níveis de assentamento previstos, utilizando uma amostra de maior diâmetro, com observados in situ, estando mais próximos do que os obtidos com uma amostra mais pequena.
No caso de ser necessário estudar provetes intactos,um dos aspetos mais importantes para se obter bons resultados é evitar que estes sofram grandes perturbações. Por isso, a utilização de um provete de maior dimensão torna-se vantajosa, pois o grau de perturbação nestes é menor. Assim, a evolução do índice de vazios em função do logaritmo da tensão efetivavertical e o efeito das tensões acumuladas ao longo da história geológica correspondem melhor à realidade (Lok & Shi, 2008). Também os resultados dos ensaios de permeabilidade, realizados em provetes de maior dimensão, são melhores, e é possível realizá-los quer na direção vertical quer na horizontal, sob condições de tensão conhecida e tendo em conta o efeito de fábrica do solo.
Desvantagens da utilização da célula de Rowe
Contudo, existem também diversas desvantagens associadas a este equipamento, havendo opiniões contraditórias acerca da sua utilização em laboratório.
a) a leitura da variação do volume pode não ser a mais correta, quando uma possível quantidade de água ou ar existente entre a membrana e a célula, é expulsa durante o processo de consolidação do provete;
b) a discrepância entre a força aplicada na membrana e a força que na realidade é exercida no provete, resultando na necessidade da calibração da membrana antes da realização de qualquer ensaio na célula de Rowe.
Já Farnsworth (2008), com o objetivo de estimar o coeficiente de consolidação horizontal (ch)
de um solo argiloso, levou a cabo uma série de ensaios na célula de Rowe em provetes intactos. O autor chegou à conclusão que uma das maiores dificuldades era a da colocação do provete intacto no interior da célula sem existir uma alteração das suas propriedades.
Hernández (2009), através da realização de ensaios de consolidação na célula de Rowe numa argila, para posterior comparação com a solução teórica de Therzaghi-Fröhlich, concluiu que a existência de bolhas de ar nos circuitos hidráulicos, afeta diretamente os valores das pressões intersticiais durante o processo de consolidação. Para além disso, verificou que a pressão intersticial lida na base do provete era bastante menor que do que a lida no topo, devido à existência de atrito lateral nas paredes da célula. Este problema foi contornado através da colocação de uma fina camada de vaselina em torno das paredes desta.
Ensaios realizáveis com recurso à célula de Rowe
Os ensaios realizados na célula de Rowe podem ser definidos quanto ao tipo de provete e quanto ao processo de consolidação. Quanto ao tipo de provete é possível ensaiar:
a) Provetes intactos, transferidos através de um amostrador para o interior da célula; b) Provetes reconstituídos e posteriormente transferidos para o interior da célula;
c) Provetes compactados diretamente no interior da célula através de uma compactação estática ou dinâmica.
Relativamente ao processo de consolidação, os ensaios podem ser classificados em convencionais e especiais. Os ensaios convencionais consistem na aplicação de sucessivos incrementos de carga sobre o provete, da mesma forma que é realizada no edómetro, podendo-se definir tanto as condições de drenagem, como as de carregamento. Segundo Head (1998), quanto às condições de drenagem é possível definir 4 tipos de ensaio, sendo que para cada um
deles é possível aplicar um carregamento a tensão uniforme ou a deformação uniforme, totalizando assim, 8 tipos de ensaios, que se encontram ilustrados na Figura 10 e se descrevem seguidamente.
a) b)
c) d)
g) h)
Figura 10 – Tipos de ensaio de consolidação por patamares de carga possíveis de realizar na célula de Rowe
a) Ensaio a tensão uniforme com drenagem vertical (Figura 10a).
Este modelo de ensaio é o mais usual e o mais indicado para a determinação do coeficiente de consolidação vertical. Consiste numa única fronteira drenante, no topo do provete, com medição da pressão intersticial no centro da base, aplicando-se uma tensão uniforme garantida através disco poroso flexível colocado sobre o provete.
b) Ensaio de deformação uniforme com drenagem vertical (Figura 10b).
Este ensaio é realizado nas mesmas condições de drenagem designadas em a), sendo as condições de carregamento diferentes, pois existe a utilização de uma placa rígida, garantindo a superfície perfeitamente plana do provete, ou seja, uma deformação uniforme. Esta modalidade de ensaio é a que mais se aproxima ao ensaio edométrico convencional e permite relacionar diretamente os deslocamentos medidos com a variação de volume medida na linha de drenagem.
c) Ensaio a tensão uniforme com drenagem vertical dupla sem medição da pressão intersticial (Figura 10c).
Neste ensaio é utilizada uma dupla fronteira drenante (i.e., topo e base), aplicando-se um carregamento a tensão uniforme. Este ensaio é semelhante ao ensaio descrito em a) com a vantagem de neste caso o processo de consolidação ser 4 vezes mais rápido e a desvantagem de não ser possível medir a pressão intersticial no interior do provete.
d) Ensaio de deformação uniforme com drenagem vertical dupla sem medição da pressão intersticial (Figura 10d).
Para além do descrito em c), neste ensaio é acrescentada a placa rígida para garantir que o ensaio decorre a deformação uniforme.
e) Ensaio a tensão uniforme com drenagem radial excêntrica (Figura 10e).
Este tipo de ensaio requer a utilização da folha porosa de Vyon em torno do interior da célula, a qual contacta com um dreno localizado junto à membrana flexível, para permitir a drenagem lateral da água existente no interior do provete. É o ensaio mais utilizado para determinar o coefiente de consolidação horizontal (ch).
f) Ensaio de deformação uniforme com drenagem radial excêntrica (Figura 10f).
Este ensaio é realizado nas mesmas condições de drenagem que em e) sendo apenas acrescentada a placa rígida na parte superior do provete, para permitir que a consolidação decorra a deformação uniforme.
g) Ensaio a tensão uniforme com drenagem radial concêntrica (Figura 10g).
Neste ensaio é necessário que a célula esteja equipada com um dreno central de areia (ou outro material de características drenantes semelhantes), que permita a drenagem horizontal concêntrica. A pressão intersticial pode ser medida no ponto secundário existente para medição desta.
h) Ensaio de deformação uniforme com drenagem radial concêntrica (Figura 10h). Neste tipo de ensaio é também necessário a existência de um dreno central de areia, sendo neste caso colocada a placa rígida abaixo da membrana flexível. Este é o ensaio normalmente realizado para simular colunas de drenantes.
De forma a diminuir o tempo que o ensaio convencional requer, surgiram os ensaios de consolidação especiais. Nestes, as cargas são aplicadas progressivamente através de diferentes procedimentos, permitindo obter os parâmetros de consolidação de forma rápida e fidedigna, mas apenas são possíveis de realizar num equipamento com as características da célula de Rowe, pois é necessária a monitorização da pressão intersticial da base do provete e o diâmetro deste deve ser de grande dimensão (Carvalho, 1989; Moura, 2004 & Gandaio, 2012).
Os ensaios de consolidação especiais mais usuais, segundo Head (1998), são: a) Ensaio de consolidação com taxa de deformação constante (CRS);
b) Ensaio de consolidação com gradiente de pressão intersticial constante (CG);
c) Ensaio de consolidação com razão a pressão intersticial /tensão aplicada, constante (CPR);
d) Ensaio de consolidação com fluxo restringido (RFC);
e) Ensaio de consolidação com velocidade constante de carregamento (CRL).
Cuidados na preparação da célula de Rowe
Segundo a BSI (1990), o primeiro passo na preparação deste equipamento consiste na calibração da membrana e na medição do volume e do tempo de escoamento da água retida entre a membrana e a parede da célula. Seguidamente, as válvulas, os vedantes, a membrana e o êmbolo devem ser testados sobre pressão para se verificar a existência de alguma fuga. Depois, deve certificar-se que as válvulas não se encontram obstruídas e que estejam livres de corrosão e de partículas de solo. Deve-se assegurar que a membrana esteja livre de áreas de fraqueza e que o êmbolo esteja bem fixo a ela. Deve também garantir-se a inexistência de ar nas inserções porosas da célula. Todos os acessórios a utilizar devem ser fervidos em água destilada, durante pelo menos 10 minutos e, até ao início do ensaio, devem ser mantidos em água, por forma a evitar a existência de ar nos seus poros. Depois de preparada a célula, deve ser montado o sistema de pressão, os equipamentos de leitura (i.e., sensores de pressão e posição) e sistema de aquisição automático de dados.
2.3.3 Ensaio de corte direto
O método mais antigo para investigar a resistência ao corte de solos é através de ensaios de corte direto (Terzaghi et al., 1996). Tipicamente, o ensaio realizado na caixa de corte é designado por consolidado-drenado, e é dividido em duas fases. A primeira consiste na consolidação do provete, e a segunda consiste no seu corte.
A fase de consolidação é caracterizada pela aplicação de um ou vários patamares de carga no topo do provete, através de um mecanismo alavancado, até que ocorra o final da consolidação primária, analogamente ao que se procede no ensaio edométrico convencional (Lai, 2004).
Posto isto, com o objetivo de avaliar a influência de diferentes técnicas de compactação (i.e., Proctor, Martelo vibratório, Manual e Harvard), na quantificação de resistência mecânica e na deformabilidade do solo, Pereira (2015), realizou um total de 24 ensaios de corte consolidado-drenado em dois solos distintos (i.e., solo residual granítico e solo argiloso), na caixa de corte disponível no LEST-UMinho. Todos os ensaios foram realizados nas mesmas condições iniciais em termos de teor em água, índice de vazios inicial e peso volúmico.
Com a realização da fase de consolidação no ensaio de corte direto, o autor obteve os resultados da Figura 11, para a técnica de compactação Harvard nos dois tipos de solo em estudo.
a) Solo argiloso b) Solo residual granítico
Figura 11 – Resultados da consolidação dos provetes de argila e de solo residual granítico construídos através da técnica de compactação Harvard (Pereira, 2015)
Através dos resultados obtidos, o autor verificou que utilizando a mesma técnica de compactação em diferentes provetes, com as mesmas condições iniciais, existia uma grande dispersão entre os resultados, devido a existência de um considerável assentamento inicial irregular no equipamento. Da sua análise, o autor verificou também a existência de problemas no tempo de consolidação, uma vez que, o tempo necessário para terminar a consolidação primária é semelhante nos dois tipos de solo, o que não é aceitável, pois tratam-se de solos com permeabilidade completamente distinta.
