Aferição do Sistema Servo Controlado da Ucsal através de Ensaios Triaxiais em Solos de Comportamento Conhecido

Transcrição

1 Aferição do Sistema Servo Controlado da Ucsal através de Ensaios Triaxiais em Solos de Comportamento Conhecido Bruno Rogério da Hora Lôbo, Estudante graduação, Escola de Engenharia/UCSal, Salvador, Bahia, Brasil, Miriam de Fátima Carvalho, Escola de Engenharia/Ucsal, Salvador, Bahia, Brasil, Kleber Azevedo Dourado, Escola de Engenharia/UCSal, Salvador, Bahia, Brasil, Sandro Lemos Machado, Escola Politécnica/UFBa, Salvador, Bahia, Brasil, RESUMO: O presente trabalho tem como objetivo apresentar os procedimentos realizados para aferir e atestar a plena funcionalidade de um sistema servo controlado desenvolvido a partir de uma parceria entre os Laboratório de Solos da UCSal e o Laboratório de Geotecnia Ambiental da UFBa. O equipamento foi concebido para ser capaz de realizar ensaios triaxiais convencionais e não convencionais com controle de tensão. O desempenho do equipamento foi verificado através de um estudo experimental do comportamento tensão-deformação e resistência do solo, utilizando-se uma areia seca de duna com distribuição granulométrica uniforme, dotada de grãos sub arredondados, no seu estado de compacidade fofo. Foram realizados ensaios consolidados drenados (CD) e não drenados (CU) neste solo. O sistema servo controlado obteve um desempenho satisfatório para estas rotinas, fornecendo resultados coerentes e compatíveis com o comportamento do material. Além deste solo, outros dois tiveram seus parâmetros de resistência estudados sob condição drenada: um solo bastante argiloso (masssapê) e um outro solo da formação barreiras, gerando resultados satisfatórios também. Contudo, é sabido que o equipamento ainda necessita de alguns ajustes finos, como o melhoramento da medida e aplicação da pressão neutra e a redução do atrito no sistema de medida de variação de volume. PALAVRAS-CHAVE: Sistema Servo Controlado; Resistência ao Cisalhamento; Equipamento de Ensaios Triaxiais. 1 INTRODUÇÃO O conhecimento da resistência ao cisalhamento dos solos é um assunto de grande importância para a resolução de problemas geotécnicos. Nos muitos estudos realizados, diversos pesquisadores buscam desvendar algumas questões relativas ao assunto, como o controle da pressão neutra e a variação da umidade utilizando-se dos ensaios triaxiais. Esses ensaios, em função da sua versatilidade, possibilitam o controle das condições de carregamento, deformação e drenagem (Vargas, 1977 e Holtz e Kovacs, 1981). Dessa forma pode-se executar diferentes tipos de ensaios convencionais, a saber: Ensaio não consolidado e não drenado (UU), Ensaio consolidado e não drenado (CU) e Ensaio consolidado e drenado (CD). Neste contexto, o Laboratório de Solos da UCSal em parceria com a UFBa (Laboratório de Geotecnia Ambiental), desenvolveu e montou um equipamento servo-controlado para estudo da resistência dos solos, o qual foi objeto de trabalho de Souza (2006), que confeccionou um detalhado manual para operação da prensa triaxial. Dando continuidade ao trabalho anteriormente 1

2 realizado e visando obter a plena funcionalidade do equipamento, iniciou-se o processo de aferição. É sabido que os ensaios triaxiais, dentro das suas limitações (não permitem controle de rotações de tensões principais e não medem interferência de tensões intermediárias) é ainda o mais acessível e completo para determinar os parâmetros de resistência do solo. São raros os equipamentos servo-controlados capazes de realizar ensaios triaxiais na Bahia, montar este equipamento e aferi-lo é de grande importância para uma melhor determinação dos parâmetros de resistência dos solos sob diferentes condições de drenagem e trajetórias de tensões. Este artigo tem por objetivo estudar o desempenho e realizar as aferições do equipamento triaxial a partir da execução de ensaios em alguns solos de comportamento conhecido. Figura 01 - Variação do ângulo de atrito de uma areia em função da porosidade - Modificado de Rowe (1962). A respeito das areias, sabe-se que quando bem distribuídas granulometricamente apresentam um ângulo de atrito interno maior, enquanto que o tamanho dos grãos, pouca influência tem sobre a resistência deste solo. Areias com grãos angulares tendem a um maior entrosamento fornecendo um aumento na sua resistência. Os efeitos da tensão confinante na resistência das areias foram estudados por Lee (1965) apud Holtz e Kovacs (1981), preparando-se várias amostras com o mesmo índice de vazios e testando-as sob diferentes pressões confinantes. Na figura 02 (a) apresentam-se as curvas de relação entre tensões principais x deformação axial obtidas de ensaios triaxiais convencionais drenados para areia fofa do Rio Sacramento com uma densidade relativa (Dr = 38%). 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A resistência das areias depende fundamentalmente do seu índice de vazios, o qual governa o entrosamento entre partículas. Como as areias têm intervalos de índices de vazios bem variáveis, a comparação entre elas é geralmente feita pela compacidade relativa. A figura 01 apresenta a variação do ângulo de atrito interno de uma areia em função de sua porosidade. É possível analisar desta figura o quanto a compacidade e a estrutura do solo desempenham um papel importante na definição do seu ângulo de atrito interno. Figura 02 - Resultados típicos de ensaios triaxiais drenados realizados numa areia fofa do Rio Sacramento: (a) Relação entre tensões principais x Deformação axial, (b) Deformação volumétrica x Deformação axial. Modificado de Lee (1965) apud Holtz e Kovacs. Nestas curvas pode-se notar que nenhuma delas apresenta pico de tensão bem definido, contudo pode-se perceber a influência da tensão confinante na forma das curvas. Para tensões confinantes mais baixas, inferiores à 0,2 MPa, as curvas começaram a apresentar uma leve 2

3 tendência de pico, contrariando o comportamento típico das areias fofas. Isto é percebido também na curva deformação volumétrica x deformação axial, figura 02 (b), onde para tensões confinantes menores que 0,2 MPa as areias apresentam aumento de volume, também contrariando o seu comportamento típico. Lee (1965) estudou também o comportamento de areias densas (Dr=100%) e constatou a ocorrência de amenização do pico de tensão à medida que as tensões confinantes são aumentadas, fato este, notado para tensões acima de 2 MPa. O estudo da resistência dos solos argilosos é mais complexo que nos solos arenosos. Fatores como a dissipação de pressão neutra, a razão de pré-adensamento e o amolgamento do solo, interferem diretamente no seu comportamento. A parcela de finos existente nestes solos lhes conferem um comportamento elastoplástico, tendo-se assim que se levar em conta o seu histórico de tensões. Como as deformações do solo não são completamente recuperadas durante o processo de descarregamento, o préadensamento do solo o conduz à um estado mais denso, fato não verificado para um mesmo solo normalmente adensado. Quanto ao seu comportamento em relação à não dissipação da pressão neutra e medida da mesma no interior do corpo de prova em ensaios não drenados, pode-se dizer que quando normalmente adensados estes solos tendem à reduzir o seu volume, gerando assim um acréscimo de pressão neutra. Por outro lado, a depender do seu grau de pré-adensamento, os solos tendem à apresentar decréscimos na pressão neutra, Head (1982). 3 MATERIAIS E MÉTODOS A prensa servo controlada, objeto de estudo, é um sistema constituído por um conjunto de dispositivos desenvolvidos para a realização de ensaios triaxiais convencionais e não convencionais com controle de tensão. Pode-se subdividir o equipamento em duas partes principais: uma mecânica e outra elétrica, com suas referidas funções, além de outra parte secundária que é a eletrônica. Nas figuras 03 e 04 são mostradas as partes elétrica e mecânica, respectivamente. A parte elétrica/eletrônica é composta essencialmente de um CLP (controlador lógico programável) responsável pela interação entre o equipamento e micro computador (responsável pela aquisição de dados gerados pelos transdutores e células de carga); um conversor de sinal dos transdutores; uma placa controladora de motores de passo e motores de passo que estão conectados as válvulas controladoras de pressão, Souza (2006, p.3). Conversores de sinal dos transdutores e células de carga CLP Placa controladora dos motores de passo Figura 03 Parte elétrica. Modificado de Souza (2006). Motores de passo Válvulas solenóides Reser. neutra confinante Válvulas manuais + on/off Transdutores Filtro de ar Figura 04 Parte mecânica. Modificado de Souza (2006). A parte mecânica é composta por motores de passo, responsáveis pelo controle das pressões, de topo e neutra; Válvulas solenóides conectadas a um filtro de ar. Estas válvulas são responsáveis pelo controle das pressões 3

4 confinante e do pistão; Reservatórios de variação de volume (neutra) e interface de pressão da confinante; Válvulas on/off e manuais; Transdutores de pressão e deslocamento. Com a utilização do equipamento triaxial servo controlado e a partir da execução de alguns testes de rotina preliminares, observouse a necessidade de alguns melhoramentos do sistema para que o mesmo fosse aproveitado em sua plena funcionalidade trazendo mais confiança aos resultados. Tendo sido realizados os devidos ajustes, foram iniciados os ensaios triaxiais convencionais em solos com parâmetros de resistência conhecidos em função de suas características geotécnicas, no caso, uma areia de duna com granulometria uniforme e grãos sub arredondados. Outros dois solos foram submetidos a testes na prensa, um solo argiloso (massapê) e um solo da formação barreiras. Para estas amostras de solo foram realizados ensaios de caracterização geotécnica segundo ABNT - NBR 7181/84, NBR 6508/84, NBR 6459/84, NBR 7180/84, MB 3388) Para realizar a moldagem dos corpos prova de areia, foi utilizado o processo descrito por Bishop e Henkel (1962, p.92 e 93). Os materiais necessários para moldagem são: Membrana de borracha, linha de vácuo, regulador de pressão para linha de vácuo, pedras porosas (secas), molde bi-partido com as dimensões desejadas para a moldagem, funil e mangueira com 10 cm de comprimento. As figuras de 05 a 08 ilustram o procedimento de moldagem dos corpos de prova de areia seca. Procedimento de moldagem: Inicialmente é necessário ter conhecimento da densidade mínima e máxima da areia. Com estes parâmetros em mãos parte-se para o cálculo da massa em função das características desejadas para o corpo de prova, em termos de uma compacidade relativa, diâmetro e altura. No caso destes ensaios, foram confeccionados corpos de prova com diâmetro de 5,0 cm e altura de 10 cm, e massa específica seca de 1,530g/cm³, (Dr=10%). Tendo a massa de areia devidamente seca e pesada, parte-se para a moldagem do CP. Coloca-se a pedra porosa na base da câmara e em seguida a membrana com o auxílio do colocador de membranas (Figura 05). Figura 05 - Colocação da pedra porosa e da membrana Utiliza-se o molde bi-partido para garantir a estabilidade do CP e manter a membrana esticada. Prepara-se o funil colocando-se a mangueira na sua ponta. Entorna-se a areia no funil e com movimentos espirais rápidos, deixase cair a areia a uma altura de queda que não ultrapasse 2 cm, afim de garantir o seu estado solto (Figura 06). Figura 06 Ajuste da membrana ao molde e derramamento da areia. A linha de vácuo deve estar regulada com pressões entre 2,5 e 5,0 kn/m² e deve ser aplicada na base da câmara assim que o processo de aplicação de areia através do funil tenha sido findado. Coloca-se a pedra porosa do topo e em seguida o cabeçote, lembrando que todo este processo tem que ser realizado cuidadosamente sem gerar quaisquer vibrações para o corpo (Figura 07). Figura 07 - Aplicação da sucção e colocação do cabeçote. Retira-se o molde bi-partido, ainda com a 4

5 sucção aplicada, isto irá garantir a estabilidade do CP (Figura 08). Certifica-se então se as dimensões e densidade esperadas foram alcançadas. Fechase a câmara, partindo imediatamente para o enchimento com água e aplicação da tensão confinante. Por fim, abre-se para a atmosfera a sucção, podendo-se então partir para as etapas e saturação. Figura 08 Retirada do molde bi-partido. Por uma questão de praticidade e confecção adequada de corpos de prova, oriundos de blocos de solo, foi construído um moldador de corpo de prova tendo como base um aparelho existente no Laboratório de Geotecnia da UFBa. As amostras de solo da formação barreiras e do massapê foram moldadas com o auxílio deste equipamento, seu funcionamento é bastante simples e dá-se da seguinte forma: associado a uma haste de ferro esta o moldador, que vai sendo cravado aos poucos no bloco, à medida que vai se aliviando (raspando) as laterais do molde, por fim utiliza-se um extrator para retirar o CP do interior do molde, faz-se necessário nivelamento após a extração. A figura 09 apresenta o moldador de corpos de prova e o procedimento de moldagem do CP. Os corpos de prova foram moldados com diâmtro de cerca de 50mm e 100mm de altura. massapê e o barreiras, as tensões confinates foram as mesmas, entretanto, os ensaios foram apenas do tipo (CD). 4 RESULTADOS E ANÁLISES 4.1 CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA A figura 10 apresenta as curvas granulométricas obtidas dos solos estudados. A areia estudada tem cerca de 80% de areia média e 20% de areia fina, apresenta coeficiente de curvatura (Cc) igual a 1,31 e coeficiente de uniformidade (Cu) de 1,65, sendo classificadas assim, como uniforme e mal graduada (SP). A areia apresentou massa especíifca dos grãos igual a 2,668 g/cm 3, ρdmáx de 1,784 g/cm 3 e ρdmin igual a 1,505 g/cm 3. A figura 11 apresenta uma vista dos grãos da areia em estudo, aumentados em 10x pela lente do microscópio estereoscópico acoplado à uma máquina fotográfica digital. Esta imagem permite classificar os grãos da areia estudada como sub arredondados. Figura 10 - Curvas granulométricas dos solos estudados. Figura 09 Moldador de corpos de prova e procedimento de moldagem. Os ensaios triaxiais realizados nas areias de duna foram do tipo (CD) e (CU), com tensões confinante de 50, 100 e 150 kpa, para o 5

6 Deformação Volumétrica (%) 4,0 σ 3 ' = 50 kpa 3,5 σ 3 ' = 50 kpa 3,0 σ3 ' = 150 kpa 2,5 2,0 σ3 ' = 100 kpa 1,5 1,0 0,5 0,0-0, Deformação axial (%) Figura 11- Formato dos grãos de areia de duna estudada. O solo massapê apresentou ρs de 2,738 g/cm 3, 75% de finos, com LL = 38%, LP = 20% e IP = 18%, sendo classificado segundo a SUCS como CL (argila de baixa plasticidade). O solo da formação barreiras, apresentou ρs de 2,656 g/cm 3, cerca de 55% de areia e 40% de finos, LL = 45%, LP = 26% e IP = 19% e foi classificado como SC (areia argilosa), ambos apresentaram IP em torno de 18% e atividade baixa, A=0,6 para o barreiras e, A=0,9 para o massapê, enquadrando-se ambos no grupo das ilitas. Figura 12 Curva tensão desviadora x deformação axial e Curva deformação volumétrica x deformação axial obtidas de ensaio CD em areias de duna com Dr=10%. Embora moldado para um estado de compacidade fofo (Dr=10%), o solo apresentou um valor relativamente elevado de ângulo de atrito, acredita-se encontrar justificativa no formato dos grãos deste solo, classificados como sub arredondados como mostrado na figura 11. O ângulo de atrito interno encontrado esta próximo daqueles apresentados por Rowe (1962), na figura 01, onde para uma porosidade de 42% obtêm-se um ângulo de atrito de aproximadamente 32º. 4.2 ENSAIOS DE COMPRESSÃO TRIAXIAL AREIA DE DUNA A figura 12 apresenta a curva tensão desviadora x deformação axial e a curva deformação volumétrica x deformação axial obtida a partir de ensaio CD para a areia de duna, moldada com densidade relativa de 10%, índice de vazios, e = 0,745 e porosidade, n = 43%. A envoltória de ruptura obtida a partir destes gráficos é apresentada logo abaixo na figura 13, os valores de φ e c encontrados foram respectivamente, 33º e 0. Figura 13 - Envoltória da Areia de duna - Ensaio CD Os comportamentos tensão/deformação e deformação axial/volumétrica dos ensaios drenados foram comparados com aqueles apresentados por Lee (1965) apud Holtz e Kovacs (1981) para areias fofas (Dr=38%), apresentados e discutidos na figura 02. A areia de duna estudada, no estado fofo apresentou comportamento similar à areia estuda por Lee (1965), isto é, apresentou uma leve tendência a ter pico de ruptura, além de sofrer expansão volumétrica, contrariando o comportamento típico esperado para as areias fofas. A figura 14 apresenta, as curvas tensão desviadora x deformação axial e a curva 6

7 pressão neutra x deformação axial obtidas de ensaios CU na areia de duna. ensaio CD no solo residual da formação barreiras. Figura 14 (a) Curva tensão desviadora x deformação axial (b) Curva pressão neutra x deformação axial obtidas de ensaio CU em areias de duna com Dr=10%. Dessa figura pode-se observar que as curvas tensão/deformação apresentam comportamento similar ao ensaio CD, apresentado na figura 12 (a). Nota-se que as curvas apresentam uma leve tendência a pico em função dos níveis de tensão utilizados no ensaio. Da curva pressão neutra x deformação axial pode-se perceber que ocorreu expansão volumétrica, sendo gerada assim, poropressão negativa. A partir destes dados foram geradas duas envoltórias de ruptura, uma em termos de tensão efetiva (φ = 35º e c =0) e outra em termos de tensão total (φ=42º e c=0). Como se pode perceber, os parâmetros de resistência em termos de tensão efetiva obtidos dos ensaios CD e CU são bastante próximos. Figura 15 (a) Curva tensão desviadora x deformação axial (b) Curva deformação volumétrica x deformação axial obtida a partir de ensaio CD no solo da formação barreiras. Os parâmetros de resistência encontrados foram c =0 e φ = 30º. Estes valores estão de acordo com os publicados na literatura por outros autores, Carvalho et al (2008), c = 0; φ = 35º e Cruz e Ferreira (2007), c = 0; φ = 29º SOLO MASSAPÊ A figura 16 apresenta a curva tensão desviadora x deformação axial e a curva deformação volumétrica x deformação axial obtida a partir de ensaio CD para o solo massapê SOLO DA FORMAÇÃO BARREIRAS A figura 15 apresenta a curva tensão desviadora x deformação axial e a curva deformação volumétrica x deformação axial obtida do 7

8 Tensão desviadora (kpa) σ3' = 150 kpa Deformação axial (%) σ 3' = 100 kpa σ 3' = 50 kpa Figura 16 (a) Curva tensão desviadora x deformação axial (b) Curva deformação volumétrica x deformação axial obtida a partir de ensaio CD no massapê. Os parâmetros obtidos foram c = 20 kpa e φ = 24º. Tais valores foram comparados com os encontrados por Simões (1991), em solos do tipo massapê oriundos do recôncavo baiano. Dando-se foco à dois solos, o massapê da formação São Sebastião e Santo Amaro, encontra-se um vasto intervalo de valores. Para a formação São Sebastião, os valores de c variam de 10 à 90 kpa, os valores de φ variam de 15º à 29º. Já na formação Santo Amaro, os valores giram em torno de 10 à 14 kpa para c, e para φ de 16 à 22º. Os valores mostram que os parâmetros de resistência fornecidos pelo equipamento servo controlado estão próximos ao citado por Simões (1991), no entanto não se sabe exatamente a formação do massapê estudado neste trabalho, o que dificulta o enquadramento preciso dos resultados, já que o solo foi coletado de um aterro. 5.0 CONSIDERAÇÕES FINAIS O funcionamento da prensa servo-controlada em estudo foi considerado satisfatório, pois os resultados dos ensaios triaxiais (CD e CU) realizados nos solos de diferentes naturezas apresentaram-se compatíveis e coerentes com resultados obtidos de materiais com características similares àqueles estudados e publicados na literatura técnica. Obteve-se para a areia de duna (SP), com Dr = 10%, coesão nula e ângulo de atrito efetivo (φ ) igual a 33º, para o solo da formação Barreiras (SC), c = 0 kpa e φ = 30º e para o massapê, c = 20 kpa e φ = 24º. Esses resultados permitem considerar o sistema triaxial estudado como satisfatório para a execução destes tipos de ensaios, no entanto, há alguns ajustes a serem realizados no sistema de pressão neutra no que se refere a medida e controle. Já se encontra em andamento o processo de instalação de válvulas solenóides no lugar dos motores de passo, a fim de se obter respostas mais rápidas e precisas de controle da pressão neutra. A aquisição de um sistema conhecido como Bellofram, será de grande importância para reduzir o atrito existente entre o êmbolo e a parede interna do atual variador de volume. Essas implementações irão melhorar sem dúvida as medidas e respostas do sistema, sem inviabilizar a utilização do aparelho nesse período de transição. REFERÊNCIAS ABNT NBR Solo - Determinação do Limite de Liquidez. ABNT NBR Grãos que passam na # 4,8mm, determinação da massa específica. ABNT NBR Solo - Determinação do Limite de Plasticidade. ABNT NBR Solo - Análise granulométrica. BISHOP, A. W. & HENKEL, D. J. The Measurement of Soil Properties in the Triaxial Test. Edward Arnold, London, 1962, p CARVALHO, M. F.; DOURADO, K A; SOUZA, M. V. R.; MACHADO, S. L., Resistência ao Cisalhamento de um Solo Não Saturado da Formação Barreiras. XIV Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica, Búzios-RJ, CRUZ, Q. J. E FERREIRA, S. R. M., Comportamento geomecânico de um solos não saturado da Formação Barreira como base para fundações de linhas de transmissão (LT). VI Simpósio Brasileiro de Solos Não Saturados, Salvador-BA, 2007, p HEAD, K.H. Manual of laboratory soil testing, Penetch 8

9 Press, London, vol. 2, HOLTZ, R. D. E KOVACS, W. D. An Introduction to Geotechinical Engineering. Prentice Hall, New Jersey, 1981, p LEE, K.T. (1965) Triaxial Compressive Strength of Saturated Sands Under Seismic Loading Conditions, PhD Dissertation, University of California at Berkeley, p. 521 MB 3388 Solo Determinação do índice de vazios mínimo de solos não coesivos. ROWE, P. W The stress dilatancy relation for static equilibrium of a assembly of particles in contact. Proc. Royal Soc., A269, pp , SIMÕES, P. R. M. Mecanismos de Instabilização dos Taludes Naturais das Formações Expansivas da Bacia Sedimentar do Recôncavo Baiano. Tese de Doutorado, Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Rio de Janeiro, 1991 SOUZA, M. V. R. Prensa Servo-Controlada para execução de ensaios triaxiais e compressão confinada: Construção do Manual do Usuário. Trabalho de conclusão de curso, Universidade Católica do Salvador, Salvador-Ba, VARGAS, M. Introdução à Mecânica dos Solos. Ed. Mcgraw-Hill, USP, 1977, p