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 Experiência Observação Ensaios in situ Ensaios Laboratoriais COMPORT. DO SOLO 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 Limites de consistência Percolação em meios porosos. Noções de coeficiente de permeabilidade, carga hidráulica e gradiente hidráulico. Escoamento unidireccional e bidimensional (redes de percolação). peneiração Limite de Limite de plasticidade liquidez Permeâmetro (ver Figura 2) Trabalho realizado: Traçado da curva granulométrica, determinação dos limites de consistência e classificação do solo. 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 Trabalho realizado: Ensaio de compactação, com traçado das curvas de compactação e de saturação do solo. ensaio garrafa de areia
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 Figura de rotura Impulsos em estruturas de suporte rígidas(ist) 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 Areia submersa movimento 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 A G C H H G J B F E D J A I Legenda: 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 Carga válvula 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 9 th 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