EQUIPAMENTOS PARA EXPERIÊNCIAS PEDAGÓGICAS NO ENSINO DA MECANICA DOS SOLOS

EQUIPAMENTOS PARA EXPERIÊNCIAS PEDAGÓGICAS NO ENSINO DA
MECÂNICA DOS SOLOS
EDUCATIONAL EQUIPMENTS FOR TEACHING SOIL MECHANICS
Cardoso, Rafaela, Instituto Superior Técnico,UTLisboa, Portugal, rafaela@civil.ist.utl.pt
Gomes, Rui Carrilho, ESTBarreiro, IPSetúbal, Portugal, rui.gomes@estbarreiro.ips.pt
Santos, Jaime, Instituto Superior Técnico, UTLisboa, Portugal, jaime@civil.ist.utl.pt
Sena Costa, Víctor, Instituto Superior Técnico, UTLisboa, Portugal, victor.sena@ist.utl.pt
Caetano, João Pedro, Instituto Superior Técnico, UTLisboa,Portugal, joao.caetano@.ist.utl.pt
RESUMO
Neste artigo apresentam-se os equipamentos para experiências pedagógicas desenvolvidos nos
últimos dois anos no IST e na ESTB, tendo em vista a melhoria da qualidade do ensino da
Mecânica dos Solos, no âmbito da Engenharia Civil. Os equipamentos desenvolvidos
evidenciam de uma forma simples alguns fenómenos e princípios fundamentais da Mecânica
dos Solos. Pretende-se assim reforçar a componente experimental do ensino tradicional,
motivando a aprendizagem dos alunos. Este trabalho, que constitui uma primeira etapa para
estimular o ensino experimental, visa fomentar a reflexão e a discussão sobre o ensino da
Mecânica dos Solos.
ABSTRACT
This paper describes the educational equipments developed at IST and ESTB in the last two
years, aiming to improve the teaching quality of Soil Mechanics in Civil Engineering.
Fundamental theoretical concepts and physical phenomena of Soil Mechanics can be illustrated
with the developed equipments, in a very simple way. These experiences are integrated in
classes, increasing the experimental component of the traditional way of teaching and
motivating the students to learn. This work represents a first step to stimulate experimental
teaching, intending to promote discussion about Soil Mechanics education.
1. INTRODUÇÃO
Este trabalho apresenta uma parte introdutória focando os aspectos fundamentais no ensino da
Mecânica dos Solos onde se procura dar mais relevância ao ensino experimental para a melhoria
da qualidade do ensino. O trabalho descreve em detalhe os equipamentos para experiências
pedagógicas que foram desenvolvidos no IST e na ESTB.
Através da análise de diversas opiniões expressas por Terzaghi, Casagrande, Peck e outros,
Burland [1] apresentou um trabalho acerca do ensino da Mecânica dos Solos. De acordo com
este autor, o ensino da Mecânica dos Solos, no âmbito da Engenharia Civil, deve contemplar
quatro vertentes essenciais:
(i) o perfil do terreno (para fins de engenharia): implica conhecimentos das áreas de Geologia
e de Geologia de Engenharia, e envolve técnicas de prospecção para a caracterização
mecânica e hidráulica dos maciços;
(ii) o comportamento dos solos: envolve ensaios de caracterização in situ e em laboratório e
observações in situ;
(iii) a mecânica aplicada: envolve a modelação e análise de problemas, recorrendo a leis
“idealizadas” para descrever o comportamento dos materiais; os solos exibem
comportamento complexo e, por isso, as leis devem ser devidamente calibradas tendo
presente as hipóteses admitidas para cada situação;
(iv) o empirismo: inevitavelmente associado à complexidade do comportamento dos solos; deste
modo, a experiência acumulada é um factor preponderante na prática profissional
geotécnica.
A relação entre as vertentes mencionadas pode ser esquematizada sob a forma de um triângulo
(Figura 1), onde o empirismo e a experiência ocupam o centro.
Geologia do terreno
Prospecção
PERFIL
DO
TERRENO
EMPIRISMO
Observação
Ensaios in situ
Ensaios Laboratoriais
COMPORT.
DO SOLO
Experiência
MECÂNICA
APLICADA
Leis de comportamento
Modelação
Análise
Figura 1 – O triângulo da Mecânica dos Solos (adaptado de [1])
Ao aluno dever ser transmitido o papel de cada uma das vertentes referidas. Cada uma delas
deve ser abordada utilizando metodologias e níveis de rigor diferentes, consoante a sua
especificidade. É necessário instruir o aluno a cultivar o rigor não só nas análises, mas também
nas medições e observações, na organização e cruzamento de informações, na formulação de
hipóteses e sua validação, sempre com adequado espírito crítico. É na interligação entre as
várias vertentes que se deve procurar uma metodologia equilibrada e que possa servir de
referência tanto para o ensino como para a prática profissional.
O uso de meios audiovisuais tais como a projecção de filmes ou a utilização de modelos para
ilustrar fenómenos e princípios fundamentais da Mecânica dos Solos pode trazer vantagens
acrescidas para o ensino da Geotecnia. De facto, o recurso a experiências simples onde envolve
a participação do próprio aluno, pode ser extremamente útil para estimular a sua curiosidade e
sensibilidade para a componente física e de aplicação nas várias disciplinas da área da
Geotecnia. Além disso, permite ao aluno assimilar mais facilmente ou consolidar algumas
matérias leccionadas nas aulas.
2. ENSINO EXPERIMENTAL
2.1 Ensaios correntes
No Instituto Superior Técnico, IST, e na Escola Superior de Tecnologia do Barreiro, ESTB, o
ensino da Geotecnia, no âmbito da Engenharia Civil, contempla uma ou duas disciplinas
relacionadas com a área da Geologia e Geologia de Engenharia, duas disciplinas de Ciências de
Engenharia, onde são apresentados os conceitos de base da Mecânica dos Solos e métodos de
cálculo para dimensionamento de estruturas geotécnicas correntes, e uma disciplina de
Especialidade, com preponderante componente de projecto.
Nas disciplinas de Mecânica dos Solos, a leccionação das diversas matérias abordadas é
acompanhada de visitas ao laboratório, onde se procura:
(i) familiarizar os alunos com o material solo, através da realização de ensaios pelos
próprios alunos (peneiração, determinação dos limites de consistência e ensaio de
compactação – Quadro 1);
(ii) mostrar os principais ensaios que permitem obter os parâmetros que caracterizam o
comportamento mecânico dos solos (Quadro 1), tais como o ensaio de compressão no
edómetro (compressibilidade) e o ensaio triaxial (resistência);
(iii) mostrar e/ou realizar alguns ensaios correntes para controlo de aterros (ensaio de
compactação, determinação do teor em água por meio do “Speedy” e determinação da
massa volúmica seca pelo método da “garrafa de areia”);
(iv) ilustrar alguns fenómenos fundamentais da Mecânica dos Solos, através de experiências
pedagógicas, que serão descritas mais adiante.
O Quadro 1 sintetiza os ensaios que são realizados actualmente no ensino da Geotecnia no IST e
na ESTB.
Descreve-se, em particular, o ensaio de permeabilidade, que é utilizado para explicar as noções
de permeabilidade em diferentes tipos de solos, carga piezométrica e gradiente hidráulico. O
equipamento, apresentado na Figura 2, consiste numa bancada autónoma com 3 permeâmetros,
dois associados a um tanque de nível constante, e o outro de nível variável. Nos dois primeiros
são colocados solos arenosos e no último é colocado um solo argiloso, permitindo observar, em
simultâneo, o contraste de permeabilidade entre solos arenosos e solos argilosos, através do
caudal efluente. No permeâmetro do meio, colocaram-se duas camadas de solo arenoso com
granulometria distinta, sendo utilizado para a realização de um trabalho por parte dos alunos.
Nesse trabalho os alunos determinam o coeficiente de permeabilidade do sistema equivalente
(dois solos em série) com base na medição do caudal e do gradiente hidráulico e,
posteriormente, assumindo a hipótese de escoamento unidimensional, determinam o coeficiente
de permeabilidade de um dos solos, conhecido o coeficiente de permeabilidade do outro.
Quadro 1 – Ensaios realizados no ensino da Geotecnia
Classificação de
Solos. Relacionar a
natureza e
granulometria do solo
com as suas
características
geotécnicas
(resistência e
deformabilidade,
consistência e
trabalhabilidade)
Identificação
de solos
peneiração
Limites de
consistência
Limite de
plasticidade
Trabalho
realizado:
Traçado da curva
granulométrica,
determinação dos
limites de
consistência e
classificação do
solo.
Limite de
liquidez
Percolação em meios porosos. Noções
de coeficiente de permeabilidade,
carga hidráulica e gradiente
hidráulico. Escoamento
unidireccional e bidimensional (redes
de percolação).
Permeâmetro (ver Figura 2)
Trabalho
realizado:
Determinação do
coeficiente de
permeabilidade.
Comportamento do solo em
compressão no edómetro
(unidireccional) e triaxial. Estados de
tensão, tensão isotrópica e tensão
deviatórica. Resistência ao corte
drenada e não drenada, estado de pico
e estado crítico. Compressibilidade,
assentamentos imediatos e ao longo
do tempo (consolidação e fluência).
Edómetro
Apresentação do
equipamento
Ensaio Triaxial
Obras de aterro: objectivos da
compactação, influência da energia e
do teor em água no peso volúmico
seco, na resistência e na
deformabilidade do solo compactado.
ensaio
“proctor”
ensaio
“speedy”
ensaio “garrafa de areia”
Trabalho
realizado:
Ensaio de
compactação,
com traçado das
curvas de
compactação e de
saturação do solo.
Reservatório
de carga
constante
Piezómetros
Reservatório
de carga
variável
Solo
arenoso
homogéneo
Solo
arenoso
estratificado
Solo
argiloso
homogéneo
Figura 2 – Ensaio de permeabilidade (ESTB)
2.2 Equipamentos para experiências pedagógicas
2.2.1 Visualização de superfícies de rotura
O dimensionamento de estruturas de suporte rígidas é realizado, habitualmente, estimando os
impulsos de terras ou pela teoria de Coulomb ou pela teoria de Rankine, ambas baseadas no
método de equilíbrio limite.
Em solos puramente friccionais, assumindo que o atrito na interface solo-muro é nulo, o plano
da superfície de rotura apresenta uma inclinação com a horizontal de 45º+φ'/2, do lado activo, e
45º−φ'/2, do lado passivo, onde φ' representa o ângulo de resistência ao corte do solo.
Tal como o representado na Figura 3, é possível induzir a formação da cunha activa ou passiva
movendo a estrutura de suporte rígida segundo a horizontal no sentido de se afastar do terreno,
provocando a descompressão lateral (estado activo), ou de se aproximar, induzindo o aumento
das tensões horizontais (estado passivo).
As fundações superficiais, em meio puramente friccional, sujeitas a compressão vertical exibem
modos de rotura diferentes, em função da compacidade do meio e da geometria da fundação.
No modelo utilizado, os filamentos cilíndricos simulam um solo puramente friccional. A
geometria dos filamentos e a forma da caixa impedem movimentos segundo a direcção normal
ao plano, simulando desta forma um estado plano de deformação. O movimento de rearranjo
dos filamentos permite identificar as superfícies de rotura.
Estrutura de suporte rígida
Filamentos cilíndricos de PVC
Figura de
rotura
Figura de rotura
Lado Activo
Lado Passivo
Figura 3 – Superfícies de rotura
De acordo com a Figura 4, os equipamentos concebidos são constituídos pelos seguintes
elementos:
caixa de PVC, com uma face transparente em material perspex;
filamentos cilíndricos de PVC, com 3 e 5 mm de diâmetro (IST), e 3 mm (ESTB);
bloco de madeira para simular uma estrutura de suporte rígida e placas de perspex para
simular estruturas de suporte flexíveis.
Figura de rotura
Impulsos em estruturas de suporte rígidas(IST)
Figura de rotura
Fundação superficial (ESTB)
Figura 4 – Modelos para visualização das superfícies de rotura para duas situações distintas
Estes equipamentos são bastante versáteis pois permitem também visualizar a formação da
“cunha morta” no caso de muros com secção tipo “L” e observar a influência da
deformabilidade da parede.
2.2.2 Liquefacção
O fenómeno da liquefacção dos solos traduz-se numa redução significativa da rigidez e da
resistência devida à geração de excesso de pressões positivas da água intersticial durante a
ocorrência dos sismos. A liquefacção pode dar origem a deformações permanentes importantes
e conduzir a situações em que a tensão efectiva é praticamente nula.
A liquefacção dos solos conduz a estragos catastróficos associados à perda de capacidade de
carga das fundações, à flutuação, à instabilização de taludes, etc. É fácil de encontrar na
bibliografia ou na Internet, relatos com imagens trágicas de edifícios derrubados ou
completamente destruídos causados pela liquefacção dos solos durante os sismos de Niigata em
1964, Loma Prieta em 1989, Kobe em 1995, Turquia em 1999, etc.
A experiência consiste em provocar a liquefacção de um solo arenoso submerso e ilustrar os
seus efeitos devastadores. Permite evidenciar o fenómeno da liquefacção, estando este
intimamente relacionada com o “Princípio das Tensões Efectivas” e com o comportamento
contráctil das areias soltas.
O modelo concebido é constituído pelos elementos seguintes (Figura 5):
tanque em material perspex translúcido, preenchido com material granular em condições
submersas;
base de apoio rolante;
tubo PVC para simular o túnel;
bloco em material PVC para simular o edifício.
movimento de
rotação do edifício
movimento
Areia submersa
ascensional do túnel
Excitação (manual ou por meios mecânicos)
base de apoio
rolante
1.00m x 0.50m x 0.50m
Figura 5 – Esquema da experiência de liquefacção de areias
Durante a experiência, é aplicado um impulso lateral relativamente rápido que irá provocar a
liquefacção da areia submersa. Assiste-se, quase de imediato, ao assentamento e à rotação do
edifício e à flutuação do túnel, este inicialmente enterrado (Figura 5). Pode-se constatar ainda,
um assentamento permanente bastante significativo pós-liquefacção. Este assentamento é
definido pela simples diferença entre o nível da água e o nível da superfície da areia
(inicialmente coincidentes). A sequência descrita pode ser observada na Figura 6.
Início do ensaio (antes do impulso lateral)
Fim do ensaio (após o impulso lateral)
Figura 6 – Liquefacção de areias (IST)
2.2.3 Percolação em meios porosos
Os solos são constituídos por partículas sólidas com interstícios entre si, que formam pequenos
canais através dos quais é possível o escoamento de fluidos. Se o solo estiver saturado e dois
pontos distintos possuírem diferente carga hidráulica, ocorre escoamento do fluido.
O equipamento visa representar um meio granular com nível freático instalado a pequena
profundidade, onde existe uma cavidade cilíndrica (poço). A experiência realizada com este
equipamento mostra o fenómeno da percolação provocado pelo rebaixamento do nível freático
no interior do poço, permitindo visualizar o nível de água nos reservatórios de entrada e de
saída, bem como a cota piezómétrica em vários pontos.
O equipamento descrito é apresentado na Figura 7 e na Figura 8, sendo constituído pelos
seguintes elementos:
reservatório com a forma de uma meia-cana em PVC, tirando partido da simetria axial do
sistema;
reservatórios de entrada e de saída, com areia (meio poroso) entre ambos;
5 piezómetros, instalados para permitir conhecer a carga hidráulica em pontos
representativos.
Reservatório
de saída
Reservatório
de entrada
solo
piezómetros
Figura 7 – Esquema do equipamento de percolação não confinada em meio poroso
E
A
G
Legenda:
A
D
C
F
H
G
I
B
H
J
J
A - Nível de entrada
B - Nível de saída
C - Linha de corrente superior
D – Zona de transição (efeito de capilaridade)
E – Solo seco
F - Perda de carga total
G - Perda de carga na fronteira
H - Linha equipotencial
I - Perdas de carga
J - Linha de corrente inferior
Figura 8 - Equipamento de percolação não confinada em meio poroso (ESTB)
Na Figura 8 é possível observar: (i) do lado esquerdo do poço, dois piezómetros situados sobre a
mesma linha equipotencial; (ii) do lado direito 3 piezómetros onde se pode observar a perda de
carga; (iii) e a linha de corrente superior.
2.2.4 Modelo de consolidação primária unidimensional de Terzaghi
O fenómeno da consolidação hidrodinâmica (ou primária) em solos saturados consiste na
variação de volume associada à expulsão da água, em consequência da aplicação de uma tensão.
Nos casos em que se pode admitir comportamento não drenado na fase de aplicação do
carregamento, o acréscimo da tensão total dá, de imediato, origem a um excesso de pressão
intersticial de valor idêntico. Este excesso de pressão na água dissipa-se ao fim de um
determinado tempo, cuja duração, depende essencialmente da permeabilidade do solo e das
condições de fronteira. No final da consolidação primária, o acréscimo de tensão efectiva é igual
ao acréscimo de tensão total. O modelo de Terzaghi é utilizado para explicar o fenómeno da
consolidação primária em solos finos saturados. Neste modelo, estabelece-se a analogia entre o
comportamento do solo em processo de consolidação primária e uma mola de compressão
inserida num reservatório totalmente preenchido com água.
A Figura 9 apresenta o esquema desse modelo, assim como o equipamento desenvolvido. Este
equipamento é constituído pelos seguintes elementos:
reservatório cilíndrico em perspex preenchido com água, com um êmbolo amovível e
munido com uma mola de compressão no interior;
manómetro instalado no êmbolo, para medir a pressão na água;
válvula para controlar o caudal de saída.
manómetro
válvula
Carga
Esquema
do ensaio
1) válvula fechada
e carga aplicada
2) válvula aberta e
compressão da mola
Figura 9 - Modelo de Terzaghi para ilustrar o fenómeno da consolidação primária (ESTB)
Ao colocar a carga sobre o êmbolo com a válvula fechada, ocorre o aumento da pressão da água
registada no manómetro e não se observa a deformação da mola. Ao abrir a válvula, inicia-se o
processo de drenagem da água, com a consequente diminuição da pressão na água (registada no
manómetro) e a transferência de carga para a mola, permitindo observar em simultâneo a
descida do êmbolo e a compressão da mola. O sistema estabiliza quando a pressão registada no
manómetro for nula, ou seja, quando toda a carga aplicada for suportada pela mola.
3. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O presente trabalho descreve os equipamentos para experiências pedagógicas desenvolvidos nos
últimos dois anos no IST e na ESTB, visando a melhoria da qualidade do ensino da Geotecnia,
no âmbito da Engenharia Civil.
Os equipamentos desenvolvidos permitem evidenciar de uma forma simples alguns fenómenos
e princípios fundamentais da Mecânica dos Solos. Pretende-se assim reforçar a componente
experimental do ensino tradicional, motivando a aprendizagem dos alunos, demonstrada pela
sua boa receptividade.
Está em curso a construção de um novo equipamento para observação da distribuição de
tensões, recorrendo à técnica da fotoelasticidade, bem como a construção de outros
equipamentos para observação dos efeitos da percolação em cortinas e em barragens de terra.
Este trabalho pretende constituir uma primeira etapa para reforçar o ensino experimental e, ao
mesmo tempo, fomentar a reflexão e a discussão sobre o ensino da Geotecnia, no âmbito da
Engenharia Civil. Aliás, esta é uma prática corrente noutros países onde há grupos de trabalho
que se reúnem periodicamente para discutir e reflectir sobre o ensino da Mecânica dos Solos,
procurando acompanhar o desenvolvimento tecnológico e científico e promover a ligação entre
as universidades e as empresas. Como exemplo, refere-se: Meeting of Teachers of Geotechnical
Subjects no Reino Unido (MTGS [2]) e United States University Council on Geotechnical
Education nos Estados Unidos (USCGER [3]), entre outros.
4. AGRADECIMENTOS
Os autores desejam expressar os seus agradecimentos aos colegas da secção de Geotecnia do
Instituto Superior Técnico pelas contribuições e críticas manifestadas em várias ocasiões para a
concepção e o aperfeiçoamento dos equipamentos para experiências pedagógicas.
5. BIBLIOGRAFIA
1. Burland, J. B., 1987, The Teaching of Soil Mechanics – A Personal View. Proc. of the 9th
European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Dublin, volume 3, pp.
1427-1441.
2. MTGS, Meeting of Teachers of Geotechnical Subjects, http://www.dur.ac.uk/d.g.toll/mtgs
3. USCGER, United States University Council on Geotechnical Education,
http://www.usucger.org