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Eduardo Manuel Andrade Mendes

O Fenómeno de Consolidaçãona Prática Laboratorial

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Universidade do MinhoEscola de Engenharia

outubro de 2016

Dissertação de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes aoGrau de Mestre em Engenharia Civil

Trabalho efetuado sob a orientação doProfessor Doutor Nuno Miguel Faria Araújo

Eduardo Manuel Andrade Mendes

O Fenómeno de Consolidaçãona Prática Laboratorial

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Agradecimentos

Eduardo Mendes iii

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.

O fenómeno de consolidação na prática laboratorial

iv Universidade do Minho

Resumo

Eduardo Mendes v

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.


vi Universidade do Minho

Abstract

Eduardo Mendes vii

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).

Keywords: Consolidation; Oedometer test; Rowe cell; Direct shear test; Laboratory practice.


viii Universidade do Minho

Índice

Eduardo Mendes ix

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

3.3.3 Tipos de ensaios realizados ................................................................................ 43


x Universidade do Minho

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


3.4.3 Ensaios de implementação realizados ................................................................ 50

3.5 Ensaio de corte direto ................................................................................................ 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


4.1.2 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


4.2.2 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


4.3.2 Melhoramento do processo de consolidação ...................................................... 79

4.4 Comparação entre o Edómetro e a Célula de Rowe .................................................. 83

CONCLUSÃO .................................................................................................................. 87

5.1 Considerações gerais .................................................................................................. 87

Índice

Eduardo Mendes xi

5.2 Trabalhos futuros ....................................................................................................... 88

REFERÊNCIAS BILIOGRÁFICAS ........................................................................................ 91

Anexo A .................................................................................................................................... 97

Anexo B .................................................................................................................................. 103


xii Universidade do Minho

Índice de figuras

Eduardo Mendes xiii

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 23 – Procedimento realizado para a preparação dos provetes do ensaio edométrico ... 43


xiv Universidade do Minho

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 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 47 – Curvas s - log t, dos ensaios E1, E2, E7 e E8 (patamar de carga de 238,68 kPa) . 69


Casagrande e de Taylor ............................................................................................................ 70

Figura 49 – Curvas s - log t, do ensaio CR1 (patamares de carga de 30 kPa e 240 kPa) ......... 72

Índice de figuras

Eduardo Mendes xv

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


coeficiente de compressibilidade volumétrico (Método de Taylor) ....................................... 105


xvi Universidade do Minho

Índice de tabelas

Eduardo Mendes xvii

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


(i.e., 238,68 kPa), dos ensaios E1, E2, E5 e E6, pelo método de Taylor ............................... 104


xviii Universidade do Minho

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

Eduardo Mendes xix

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

e – Índice de vazios do solo


xx Universidade do Minho

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

Eduardo Mendes 1

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 quase instantânea, não existindo grandes efeitos posteriores. Contudo, quando 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.


2 Universidade do Minho

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 se encontrava inserida

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.

Introdução e motivação do trabalho

Eduardo Mendes 3

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

Eduardo Mendes 5

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;


Eduardo Mendes 7

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:

Qz = vz A (1)



Em que:

vz = kz i (2)

Então:

Q

z = 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

∂ 2

h

∂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 = V

1 + ei 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.


Eduardo Mendes 9

- 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

γw

mv

∂2u

∂z2

= ∂u

∂t (17)

Definindo-se o coeficiente de consolidação vertical (cv) com os termos constantes da relação

anterior:

cv = kz

γw

mv

(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.

Substituindo na expressão (19) estes dois fatores, fica:


Eduardo Mendes 11

∂

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,


Eduardo Mendes 13

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

consolidação primária é difícil de determinar.


Eduardo Mendes 15

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,

2014)



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


Eduardo Mendes 17

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).


Eduardo Mendes 19

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


Eduardo Mendes 21

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 efetiva vertical 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.

Segundo Khan & Garga (1994), as desvantagens a apontar à célula de Rowe são:



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


Eduardo Mendes 23

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)

e) f)



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.


Eduardo Mendes 25

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).


Eduardo Mendes 27

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.



Parâmetros obtidos a partir de ensaios de consolidação

2.4.1 Determinação do coeficiente de consolidação vertical

A partir dos resultados obtidos da realização de ensaios de consolidação convencionais é

possível estimar o parâmetro do solo que determina o tempo de consolidação, isto é, o

coeficiente de consolidação vertical (cv), para um dado incremento de carga. Para a obtenção

desse parâmetro são comparadas as características da curva obtida laboratorialmente, de

assentamento em função do logaritmo do tempo (s - log t) ou de assentamento em função da

raiz do tempo (s - √𝑡), com as das curvas de consolidação teóricas, utilizando-se o método de

Casagrande ou de Taylor.

Método de Casagrande

Neste método as leituras dos assentamentos são apresentadas em função do logaritmo do tempo.

Na Figura 12, está representada a curva laboratorial que resulta do ensaio de consolidação bem

como, as etapas da aplicação do método de Casagrande para a determinação do coeficiente de

consolidação vertical.

Começa-se por determinar o ponto correspondente a �̅�v=0 (i.e., ponto C), para isso,

primeiramente escolhe-se um ponto na parte inicial da curva (A), e a 4tA assinala-se o ponto

(B), de modo a que esses pontos sejam inferiores a �̅�v < 0,60. Mede-se a distância vertical entre

os dois pontos (a) e à distância de (a) acima do ponto (A) marca-se o ponto (C). Este ponto não

corresponde a um assentamento igual a zero devido à existência de ajustes iniciais e à

compressão de pequenas quantidades de ar existentes no solo. Através da interseção de duas

linhas retas tangentes ao troço da consolidação primária e da consolidação secundária, marca-

se o ponto D, que corresponde a �̅�v = 1. A meia distância do ponto (C) e (D) marca-se o ponto

(E), que corresponde a �̅�V = 0,5 e t = t50.


Eduardo Mendes 29

Figura 12 – Determinação do cv segundo o método de Casagrande (Araújo, 2016)

Determina-se então o valor do coeficiente de consolidação vertical através da expressão (23):

cv =

Tv H2

𝑡50

(23)

Em que,

Tv = 0,196, que corresponde a �̅�V = 0,5;

H2: metade da altura do provete (no caso de dupla fronteira drenante);

𝑡50: tempo correspondente a metade do grau de consolidação vertical na curva laboratorial.

Método de Taylor

Para a determinação do coeficiente de consolidação vertical por este método é necessário

representar a curva de assentamento em função da raiz quadrada do tempo. Na Figura 13,

representa-se o modo de aplicação do método de Taylor para determinação do cv.

Inicia-se o método traçando uma reta tangente ao troço inicial da curva laboratorial e no ponto

de interseção com o eixo das ordenadas marca-se o ponto (A), em que �̅�v=0. A partir do ponto

(A) traça-se uma reta (𝐴𝐵̅̅ ̅̅ ) cujo declive seja 1,155 vezes superior ao declive da reta

anteriormente traçada. No ponto de interseção desta última com a curva laboratorial marca-se

o ponto (C), em que �̅�v=0,9 e t = t90. Extrapolando é possível determinar o ponto correspondente

a t = t100.



Figura 13 – Determinação do cv segundo o método de Taylor (Araújo, 2016)

Recorrendo-se à expressão (24) , é possível determinar o coeficiente de consolidação vertical.

cv =

Tv H2

𝑡90

(24)

Em que,

Tv = 0,848, que corresponde a �̅�v=0,9.

Comparação dos dois métodos

No caso particular de solos em que a consolidação secundária é um fenómeno relevante, o

método de Casagrande pode ser difícil de utilizar e como tal, é recomendada a utilização do

método de Taylor, pois este, baseia -se na interpretação da fase inicial da consolidação e assim

sendo, é menos influenciado pela consolidação secundária.

Para a utilização do método de Taylor, é necessária a gravação automática de dados durante o

processo de consolidação para permitir o maior número e rigor nas leituras dos assentamentos

no início do mesmo. Quando não é possível uma gravação automática de dados, torna-se

vantajosa a utilização do método Casagrande.

Lambe & Whitman (1969) e Al-Zoubi (2008), afirmam que os valores de cv obtidos pelo

método de Taylor são geralmente superiores aos obtidos pelo método de Casagrande.


Eduardo Mendes 31

Segundo Das (2002), o valor típico de cv, no caso de uma argila, para níveis de tensão entre os

200 kPa e os 400 kPa é de 1,40 m2/s. Já Sridhara & Nagaraj (2012), referem que o valor de cv

para estes níveis de tensão é cerca de 1,00 m2/s.

Segundo Boone (2010), o facto de estes dois métodos dependerem de construções gráficas, leva

a que os resultados estejam sujeitos a alguma incerteza.

2.4.2 Determinação do valor dos assentamentos numa camada de solo

para um determinado carregamento

Para a quantificação do assentamento de consolidação numa camada de solo e para um

determinado carregamento, pode-se recorrer à construção da curva índice de vazios em função

da tensão efetiva vertical (e - 𝜎v′), que por sua vez permite a determinação do coeficiente de

compressibilidade (av) (Equação 25) e consequentemente do coeficiente de compressibilidade

volumétrico (mv) (Equação 26). Para a determinação dos assentamentos recorre-se à Equação

27.

av = |

∆𝑒

∆𝜎v′|

(25)

mv = av

1 + 𝑒0

(26)

∆ℎ = mv × ∆𝜎v′ × ℎ0 (27)

Outra forma de determinar este assentamento é através da construção da curva índice de vazios

em função do logaritmo da tensão efetiva vertical (e – log 𝜎v′), que também permite a

determinação da tensão de pré-consolidação (𝜎p′ ).

2.4.3 Determinação da permeabilidade do solo

Outro dos parâmetros possíveis de determinar através de ensaios de consolidação é a

permeabilidade do solo (k). Este parâmetro diz respeito à capacidade que um solo apresenta de

permitir a percolação da água através dele, e depende de fatores como, granulometria, índice



de vazios, composição mineral, temperatura e da estrutura do solo. Para determinar este

parâmetro recorre-se à expressão (28).

𝑘 = 𝑐v × 𝛾w × 𝑚v (28)

Em que,

𝛾w : é o peso volúmico de da água (9,81 kN/m3).

Os valores típicos do coeficiente de permeabilidade do solo, segundo Das & Sobhan (2014),

encontram-se apresentados na Tabela 1.

Tabela 1 – Valores típicos do coeficiente de permeabilidade para solos saturados (adaptado de

Das & Sobhan, 2014)

Tipo de solo k × (cm/s)

Seixo 100 – 0,1

Areia grossa 1,0 – 0,01

Areia fina 0,01 – 0,001

Silte 0,001 – 0,00001

Argila < 0,000001

Materiais e metodologias

Eduardo Mendes 33

MATERIAIS E METODOLOGIAS

Introdução

Neste capítulo, pretende-se descrever todas as etapas seguidas para a realização de ensaios

laboratoriais de consolidação, nos três equipamentos em estudo, representados na Figura 14.

Começando-se pela caracterização física do solo considerado e pela definição das

características iniciais de todos os provetes. Seguidamente são explanados, por cada

equipamento, todos os procedimentos para a preparação dos provetes, definidos todos os

ensaios a realizar e os passos utilizados na sua execução. Ao longo do capítulo são justificadas

todas as opções tomadas para a concretização do estudo.

a) Edómetro b) Célula de Rowe c) Caixa de corte

Figura 14 – Equipamentos utilizados no caso de estudo

3.2 Solo

Para a realização dos ensaios de consolidação selecionou-se um solo comercial designado por

Faiança FC 35 (Figura 15), de utilização corrente em olaria. Foi selecionado devido à facilidade

de obtenção, baixo custo e o facto de ser comercializado com reprodutibilidade das suas

características geotécnicas (a testar futuramente), o que permite que se realizem análises

posteriores a este estudo, por outros autores.



a) b)

Figura 15 – Solo utilizado no caso de estudo

3.2.1 Caracterização fundamental do solo

Numa fase inicial procedeu-se à secagem e fragmentação do solo. Para tal, dividiu-se o tarolo

em pequenos pedaços (Figura 16a) e levaram-se à estufa durante 24 horas a 110ºC. Passado

esse tempo, com recurso a um pilão metálico, fragmentou-se o solo cuidadosamente, evitando

a destruição propriedades do mesmo (Figura 16b, 16c e 16d).

a) b) c) d)

Figura 16 – Processo de secagem do solo utilizado no caso de estudo

Findo este processo, o passo seguinte consistiu na caracterização fundamental do solo, para tal,

realizaram-se 5 tipos de ensaio:

a) Limites de consistência;

b) Azul de metileno;

c) Análise granulométrica;

d) Densidade das partículas sólidas;


Eduardo Mendes 35

e) Ensaio de compactação Proctor.

Através da realização do ensaio dos limites de consistência, determinou-se o limite de liquidez

(ωl), o limite de plasticidade (ωp) e o índice de plasticidade (Ip), recorrendo-se à IGPAI (1969).

Da análise da Figura 17, em que n representa o número de pancadas, é possível concluir que o

limite de liquidez é de 35%.

Figura 17 – Curva do limite de liquidez do solo utilizado no caso de estudo

Quanto ao limite de plasticidade, obteve-se, com base em 6 ensaios, um valor médio de 16% e

um desvio padrão de 1,97. Sabendo-se que a diferença entre o limite de liquidez e o limite de

plasticidade é igual ao índice de plasticidade, concluiu-se que este seria de 19%.

Realizou-se o ensaio de absorção de azul metileno, de acordo com a norma AFNOR (1998),

para se avaliar o potencial de expansibilidade do solo utilizado. Com a sua realização obteve-

se um valor MB = 2,11 g/kg.

Seguidamente, realizou-se a análise granulométrica do solo, de acordo com a especificação

LNEC (1966a). Devido ao facto de todo o solo ter passado no peneiro #200 ASTM (0,074 mm),

realizou-se apenas o ensaio de sedimentação. Este ensaio foi realizado duplicadamente para

garantir a veracidade dos resultados. As curvas granulométricas obtidas encontram-se

representadas na Figura 18.

25

30

35

40

45

ω(%

)

n

6050403025201510



Figura 18 – Curvas granulométricas do solo utilizado no caso de estudo

Com base nas características do solo obtidas através da realização do ensaio dos limites de

consistência e de granulometria, foi possível classificá-lo de acordo com a classificação

unificada ASTM (2011b), concluindo-se que se trata de um solo CM - argila magra.

Para a obtenção da densidade das partículas sólidas (G), recorreu-se à IGPAI (1965), obtendo-

se um valor de G=2,57.

Por último, determinou-se o teor em água ótimo (ωótimo) e a massa volúmica seca máxima (ρd)

do solo, recorrendo-se à técnica de compactação pesada, pois a compactação atual de solos

facilmente atinge os níveis desta, e em molde pequeno, devido à granulometria do solo

utilizado. Para tal, recorreu-se à especificação LNEC (1966b). A compactação efetuou-se

apenas com recurso a duas camadas, ao invés das cinco mencionadas pela norma, pelo fato do

solo ser constituído por partículas de dimensões reduzidas, e assim não se necessitou de uma

amostra grande para ser representativa, diminuindo-se o esforço laboratorial. Assim sendo,

assumiu-se que com duas camadas, não se comprometia a qualidade dos resultados. Na Figura

19, encontra-se a curva de compactação obtida.

0

20

40

60

80

100

0,001 0,01 0,1

% P

assa

da

Diâmetros (mm)0.074


Eduardo Mendes 37

Figura 19 – Curva de compactação do solo utilizado no caso de estudo

Com base na curva da Figura 19, concluiu-se que o teor em água ótimo seria de 13% e a massa

volúmica seca máxima de 1,86 Mg/m3.

Na Tabela 2, encontram-se sintetizados os resultados obtidos relativos à caracterização

fundamental do solo.

Tabela 2 – Características do solo utilizado no caso de estudo

Classificação ASTM MB (g/kg) G ωótimo (%) ρd (Mg/m3)

CM – Argila Magra 2,11 2,57 13,00 1,86

3.2.2 Características iniciais dos provetes

Uma vez determinadas as características físicas do solo para o caso de estudo, foram impostas

a todos os provetes a ensaiar as mesmas condições iniciais em termos de teor em água (ω),

massa volúmica (ρ) e grau de saturação (S).

Desta forma, garantiu-se uma uniformização de todos os provetes no início de cada ensaio,

permitindo a posterior comparação dos resultados obtidos nos diferentes ensaios consolidação,

realizados nos 3 equipamentos em estudo.

Posto isto, para garantir a plasticidade e um elevado grau de saturação do solo utilizou-se um

teor em água 2% acima do teor ótimo, ou seja, 15%, correspondendo a uma massa volúmica

1,65

1,70

1,75

1,80

1,85

1,90

0 3 6 9 12 15 18 21

ρd

(Mg/m

3)

ω (%)Resultados Experimentais Curva de compactação

S=100%

S=92%S=80%S=60%S=40%S=20%



seca de 1,81 Mg/m3.

Com base nestes dois parâmetros, foi possível determinar a massa volúmica e o grau de

saturação recorrendo-se às expressões (29) e (30) respetivamente:

𝜌 = 𝜌d(1 + 𝜔) (29)

𝜌 =𝐺 × 𝜌w

1 +𝐺 × 𝜔

𝑆

(1 + 𝜔) (30)

Substituindo na expressão (29):

𝜌 = 1,81 × (1 + 0,15) = 2,08 𝑀𝑔/𝑚3

E na expressão (30):

2,08 =2,57 × 1,00

1 +2,57 × 0,15

𝑆

(1 + 0,15) ⟺ 𝑆 = 0,92

Na Tabela 3,Tabela 4 encontram-se resumidas as características iniciais de todos os provetes

utilizados para o caso de estudo.

Tabela 3 – Características iniciais dos provetes utilizados para o caso de estudo

ωótimo (%) S ρd (Mg/m3) ρ (Mg/m3)

Características iniciais

dos provetes 15,00 0,92 1,81 2,08

3.3 Ensaio Edométrico

3.3.1 Montagem e calibração do equipamento

Para dar início à campanha de ensaios edométricos selecionou-se um dos edómetros

disponíveis, no LEST-UMinho. Despois disto, montou-se todo o sistema de apoio necessário,


Eduardo Mendes 39

calibrou-se o sensor de posição e o braço do edómetro. Seguidamente, foram selecionadas as

cargas a utilizar em todos os ensaios edométricos.

Após a montagem de todo o sistema, realizou-se a calibração do aparelho conforme a ASTM

(2011a). Para tal, no interior da câmara edométrica, colocou-se um disco metálico ao invés do

provete de solo e deu-se início ao ensaio, realizando-se um ciclo de carga seguido de um ciclo

de descarga, tendo-se repetido este procedimento. Os resultados da calibração encontram-se na

Figura 20.

Figura 20 – Resultado da calibração do edómetro

Da análise dos resultados, verifica-se que existe uma certa deformabilidade instantânea do

equipamento, que aumenta à medida que se aumenta a carga. É possível concluir também que,

existe compatibilidade entre a fase de carga e descarga entre ciclos, mas com histerese por ciclo.

3.3.2 Preparação e reconstituição dos provetes

O primeiro passo para a preparação dos provetes utilizados na realização de ensaios

edométricos consistiu na determinação da quantidade de solo (𝑊s) e água (𝑊w) necessária para

impor as suas características iniciais resumidas na Tabela 3.

Determinou-se o diâmetro do molde Proctor pequeno, pois foi no seu interior que se procedeu

à compactação do solo. Devido ao fato da altura do anel edométrico ser de 19,60 mm e para

que este ficasse totalmente envolvido pelo solo, impôs-se uma altura de 30 mm no molde. Com

0,00

0,03

0,06

0,09

0 100 200 300 400 500

s(m

m)

σv (kPa)

Carga 1 Descarga 1 Carga 2 Descarga 2



base nesta altura e no diâmetro do molde, calculou-se um volume (V) de solo a utilizar de 243,70

cm3.

Recorrendo-se às equações (31) e (32), determinou-se a massa de solo e água a utilizar.

𝑊s + 𝑊w = 𝜌 × 𝑉 (31)

𝜔 =𝑊w

𝑊s

(32)

Substituindo-se na expressão (31) :

𝑊s + (0,15 × 𝑊s) = 2,08 × 243,70 ⟺ 𝑊s = 440,78 𝑔

Substituindo-se na expressão (32) :

0,15 =𝑊w

440,78 ⟺ 𝑊w = 66,12 𝑔

Na Tabela 4, encontram-se as quantidades de solo e água utilizadas na preparação dos provetes.

Tabela 4 – Quantidades utilizadas na preparação das misturas do ensaio edométrico

Ws (g) Ww (g) WT (g)

440,78 66,12 506,90

Depois da definição das massas, procedeu-se à preparação das misturas (solo + água). Para tal,

realizaram-se as seguintes etapas:

a) Pesou-se a quantidade de solo e água a utilizar numa balança de precisão ± 0,01g (Figura

21a e 21b);

b) Com o auxílio de um atomizador adicionou-se cuidadosamente a água ao solo para que

a mistura ficasse homogénea (Figura 21c);

c) Colocou-se a mistura no interior de um saco plástico, devidamente selado, evitando-se

desta forma a evaporação da água (Figura 21d);


Eduardo Mendes 41

d) Para a sua homogeneização, deixou-se repousar a mistura na câmara húmida durante

um período mínimo de 24 horas.

a) Pesagem do solo b) Pesagem da água c) Mistura d) Homogeneização

Figura 21 – Procedimento realizado para a preparação das misturas

Para a reconstituição dos provetes, começou-se por compactar o solo, recorrendo-se à técnica

de compactação Harvard, que consiste na compactação progressiva do solo, utilizando uma

prensa hidráulica, até ao valor de peso volúmico desejado (Pereira, 2015). Utilizou-se esta

técnica, porque permite a compactação no interior da célula de Rowe sem danificar o

equipamento, e de modo a manter a coerência da técnica compactação, esta foi utilizada para

os restantes equipamentos (i.e., edómetro e caixa de corte).

Para reproduzir esta técnica no LEST, utilizou-se um bastidor e um macaco hidráulico e,

impondo-se a altura desejada, correspondente ao peso volúmico obtido, compactou-se o solo.

Posteriormente cravou-se o anel edométrico no solo compactado. Para este procedimento

utilizaram-se os utensílios representados na Figura 22.

a) Bastidor b) Paquímetro c) Pilão metálico d) Pilão de madeira



e) Macaco hidráulico f) Molde pequeno

Proctor

g) Anel edométrico h) Espátula

Figura 22 – Utensílios utilizados para a preparação dos provetes do ensaio edométrico

O procedimento adotado encontra-se de seguida:

a) Preparou-se o bastidor e todos os utensílios necessários à compactação do solo e

cravação do anel (Figura 23a);

b) Retirou-se o solo da câmara húmida e pesou-se em 3 porções iguais (Figura 23b);

c) Compactou-se cada camada de solo (i.e., 1 cm por camada) no interior do molde de

Proctor pequeno com recurso a um macaco hidráulico (Figura 23c);

d) Entre cada camada, escarificou-se a superfície do solo para minimizar a criação de uma

superfície de descontinuidade entre camadas (Figura 23d);

e) Procedeu-se à cravação do anel edométrico de modo a que este ficasse no interior do

solo compactado (Figura 23e);

f) Desmontou-se o molde Proctor e destacou-se o anel (Figura 23f);

g) Utilizando-se uma espátula, rasaram-se ambas as faces do anel de modo a que estas

ficassem totalmente planas e uniformes (Figura 23g e 23h).

a) b) c) d)


Eduardo Mendes 43

e) f) g) h)

Figura 23 – Procedimento realizado para a preparação dos provetes do ensaio edométrico

3.3.3 Tipos de ensaios realizados

Com o objetivo de testar os diferentes parâmetros já mencionados, realizaram-se 8 ensaios

edométricos. A Tabela 5 resume as características de cada um dos provetes ensaiados.

Tabela 5 – Tipos de ensaios edométricos realizados

Provete Designação

do ensaio

ω (%)

Parâmetro em estudo

Patamares de carga

(kPa)

1 E1 15

Incremento de carga

30 → 240 2 E2 15

3 E3 15 30 → 60 → 120 →240

4 E4 15

5 E5 0 Grau de saturação inicial 30 → 240

6 E6 0

7 E7 15 Condições de drenagem 30 → 240 8 E8 15

Definiram-se 4 ensaios para avaliar a influência do incremento de carga no processo de

consolidação no solo. Nos ensaios E1 e E2, o segundo, e último, patamar de carga considerado

no ensaio foi 8 vezes superior ao patamar inicial. Enquanto que nos ensaios E3 e E4, o fator de

multiplicação, de cada incremento de carga aplicado, foi de 2, de acordo com as exigências da

ASTM (2011a). Adotou-se um fator de 8 por ser um valor distante de 2 e se pretender

maximizar possíveis discrepâncias entre os resultados.



Para avaliar a influência do grau de saturação inicial, definiram-se dois ensaios com um grau

de saturação inicial nulo (ensaios E7 e E8), que posteriormente foram comparados com os

resultados obtidos nos ensaios E1 e E2, pois estes foram ensaiados nas mesmas condições de

carregamento.

Por fim, para avaliar as condições de drenagem existentes no interior do anel edométrico,

realizou-se uma pequena alteração no interior da câmara. Essa alteração passou pela colocação

de uma membrana de borracha impermeável na base da mesma (Figura 24a e 24b). Tal foi

realizado com o objetivo de comparar o tempo de consolidação destes dois provetes, que

possuem apenas uma fronteira drenante, com o tempo de consolidação dos provetes E1 e E2,

estes dois últimos com duas fronteiras drenantes. Sabendo-se que na teoria os ensaios realizados

com uma fronteira drenante demoram 4 vezes mais tempo a terminar o processo de

consolidação do que os realizados com duas, nas mesmas condições de ensaio.

a) b)

Figura 24 – Colocação da membrana impermeável na base da câmara do ensaio E7

3.3.4 Procedimentos de ensaio

Para a realização dos ensaios edométricos procedeu-se do seguinte modo:

a) Limpou-se adequadamente a câmara edométrica, colocaram-se as pedras porosas a

ferver durante 10 minutos e mantiveram-se mergulhadas em água para arrefecerem até

à temperatura ambiente antes da sua utilização (Figura 25a);

b) Instalou-se o provete na câmara edométrica (Figura 25b);

c) Colocou-se a câmara no edómetro e ajustou-se o sensor de posição (Figura 25c);

d) Travou-se o braço edométrico e colocou-se a carga inicial (Figura 25d);

e) Iniciou-se a gravação de dados com auxílio de um programa de aquisição automática;


Eduardo Mendes 45

f) Destravou-se o braço rapidamente, para evitar perturbações significativas, enchendo-se

simultaneamente a câmara com água;

g) Por cada mudança de patamar de carga aguardou-se um período de 24 horas;

h) No final de cada ensaio, as pedras porosas foram limpas com uma escova não abrasiva.

Note-se que, no caso dos ensaios E7 e E8, em que se pretendeu estudar as condições de

drenagem, procedeu-se do mesmo modo, no entanto, aquando a colocação do provete na câmara

colocou-se uma membrana de borracha impermeável na base, de modo a garantir que a

drenagem apenas se realizasse pelo topo do provete (Figura 24).

a) b) c) d)

Figura 25 – Procedimento para a realização de ensaios edométricos

3.4 Ensaio de consolidação na célula de Rowe

3.4.1 Montagem do sistema de ensaio e calibração

Uma vez que um dos principais objetivos desta dissertação consistia na implementação da

célula de Rowe no LEST-UMinho, começou-se, numa primeira fase dos trabalhos com a célula,

por analisar o seu estado e compreender o seu modo de funcionamento.

Separaram-se e limparam-se todos os acessórios existentes na célula, e constatou-se que a

membrana teria de ser substituída. Uma vez substituída, verificaram-se se todas as válvulas se

encontravam devidamente desimpedidas. Realizaram-se ensaios de pressão para verificar a

inexistência de fugas. Para a compreensão do seu modo de funcionamento, recorreu-se ao

estudo exaustivo realizado na revisão bibliográfica.



Depois de verificada a operacionalidade da célula, calibrou-se a membrana de modo a verificar

se a força exercida por esta no provete de solo seria a correspondente à lida pelo sensor de

pressão.

Para a sua calibração procedeu-se do seguinte modo:

a) Começou-se por retirar a base da célula e manteve-se o corpo e o topo selados;

b) Inverteu-se a célula, colocou-se no bastidor e instalou-se o sistema de ar comprimido;

c) Dentro da mesma e acima do diafragma foi colocada a placa rígida, um anel

dinamométrico de 10 kN e ajustou-se o topo da prensa ao nível do anel (Figura 26a);

d) Aplicaram-se incrementos de pressão na membrana com recurso ao sistema de ar

comprimido e registaram-se os valores lidos pelo manómetro e pelo anel dinamométrico

(Figura 26b);

e) Realizou-se uma fase de carga, com incrementos de 50 kPa (i.e., de 0 a 500 kPa) e uma

fase de descarga nas mesmas condições (i.e., de 500 a 0 kPa). Repetiu-se a fase de carga

e descarga.

a) b)

Figura 26 – Calibração da membrana da célula de Rowe

Na Figura 27, encontram-se os resultados obtidos da calibração da membrana da célula de

Rowe.


Eduardo Mendes 47

Figura 27 – Resultado da calibração da membrana da Célula de Rowe

Da análise da Figura 27, foi possível verificar que nas duas fases de carga realizadas, os valores

lidos pelo manómetro e pelo anel dinamométrico são semelhantes, não causando interferência

nos resultados. De fato, durante os ciclos de carga, a relação é linear sem diferença entre a

pressão aplicada e a lida no anel. O mesmo não acontece nas fases de descarga, nas quais se

verifica discrepância entre as duas leituras. Como, no caso de estudo, não se realizou nenhum

patamar de descarga, tal erro não terá influência nos resultados.

Instalaram-se vários equipamentos auxiliares (Figura 28), indispensáveis para a realização dos

ensaios. Sendo eles:

a) Regulador de

pressão

b) Sensor de

pressão

c) Sensor de

posição

d) Sistema de

aquisição

automática de

dados

e) Sistema de

fornecimento de

ar comprimido

Figura 28 – Equipamentos auxiliares utilizados na realização de ensaios na célula de Rowe

0

100

200

300

400

500

0 100 200 300 400 500

Pan

el(k

Pa)

Pman. (kPa)

Carga 1 Descarga 1 Carga 2 Descarga 2




Assim como para o ensaio edométrico, para o ensaio de consolidação na célula de Rowe,

começou-se por determinar a massa de solo e a massa de água a utilizar nos provetes,

recorrendo-se às equações 31 e 32. Para isso, determinou-se o volume do interior da célula

destinado à acomodação do provete. Sabendo-se que a altura recomendada é de 50 mm e o

diâmetro de 150 mm, obteve-se um volume de 883,57 cm3.

Na Tabela 6, encontram-se os valores das massas (solo + água) utilizados na preparação da

mistura.

Tabela 6 – Quantidades utilizadas na preparação das misturas da célula de Rowe


1598,11 239,72 1837,83

Quanto à preparação desta mistura, procedeu-se do mesmo modo já descrito no ponto 3.3.2.

Relativamente à reconstituição dos provetes, recorreu-se, à mesma técnica utilizada na

preparação dos provetes do edómetro. Para isso, utilizaram-se os utensílios da Figura 22a, 22b

22c, 22d e 22e e os da Figura 29.

a) Célula de Rowe b) Disco metálico

rígido

Figura 29 – Utensílios utilizados na preparação dos provetes da célula de Rowe

Os procedimentos realizados para a preparação dos provetes encontraram-se descritos de

seguida:


Eduardo Mendes 49

a) Colocou-se a célula de Rowe sem topo no bastidor (Figura 30a);

b) Retirou-se o solo da câmara húmida e pesaram-se 5 porções iguais (Figura 30b);

c) Colocou-se um papel de filtro na base da célula;

d) Compactou-se cada camada de solo (i.e., 1 cm por camada) no interior da célula com

recurso a um macaco hidráulico (Figura 30c);

e) Entre cada camada, escarificou-se a superfície do solo para minimizar a criação de uma

superfície de descontinuidade entre camadas (Figura 30d);

f) Após a compactação das várias camadas, colocou-se o disco poroso de bronze e a placa

rígida no topo da célula (Figura 30e);

g) Encheu-se o topo do provete com água até cobrir totalmente a placa rígida (Figura 30f);

h) Selou-se cuidadosamente a célula para evitar danificar a membrana flexível (Figura 30g

e 30h).

a) b) c) d)

e) f) g) h)

Figura 30 – Procedimento realizado na preparação de provetes na célula de Rowe

De notar que, a compactação do solo no interior da célula deve ser realizada cuidadosamente

para se evitar danificar as paredes da célula. Para isso, deve se garantir que o equipamento se

encontra perfeitamente nivelado e que o disco metálico utilizado para compactar o solo não

toque nas paredes da célula.



3.4.3 Ensaios de implementação realizados

Os ensaios realizados na célula de Rowe foram de carácter experimental, com o objetivo de se

obter a configuração ideal para a realização do ensaio de consolidação. Na Tabela 7, encontram-

se descritos os ensaios realizados para a implementação da célula.

Tabela 7 – Ensaios de implementação realizados na célula de Rowe

Provete Designação do ensaio

ω (%)

Patamares de carga (kPa)

B

1 CR1 15 30 → 240 -

2 CR2 15 30 → 60 → 120 →240 0,51

3 CR3 15 - 0,68

4 CR4 15 30 → 240 0,88

5 CR5 15 30 → 240 0,82

Relativamente, ao ensaio CR1, depois de reconstituído o provete no interior da célula, colocou-

se o disco poroso de bronze sobre este e seguidamente a placa rígida. Dois sensores de pressão

foram instalados nos dois pontos de medição de pressão intersticial existentes na base da célula

(Figura 31b). Esta configuração de ensaio (Figura 31a) corresponde àquela que mais se

aproxima com o ensaio edométrico, segundo Head (1998). Neste ensaio, apenas foi realizada a

fase de consolidação, ou seja, não se realizou a saturação do provete. O ensaio foi realizado

sem saturação para demostrar a grande importância da mesma.

a) b)

Figura 31 – Configuração do ensaio de consolidação CR1 realizado com recurso à célula de

Rowe


Eduardo Mendes 51

Quanto ao ensaio CR2, este foi dividido em 3 fases, a fase da saturação, o carregamento não

drenado e por fim a consolidação (i.e., carregamento drenado). Como tal, alterou-se a

configuração da célula do seguinte modo:

a) Trocou-se um dos sensores de pressão da base para o topo da célula (Figura 32b);

b) Instalou-se um circuito de água ligado à base e ao topo da célula (Figura 32a).

Antes da realização do ensaio tiveram-se os seguintes cuidados:

a) Eliminaram-se todas as bolhas de ar presentes nos circuitos hidráulicos;

b) Abriram-se as purgas dos sensores de pressão até se expulsar todo o ar;

c) Depois de instalado o provete, o disco poroso flexível e a placa rígida, encheu-se o

interior da célula com água, até à placa rígida ficar totalmente submersa.

A fase da saturação, foi conseguida por contrapressão, aplicando-se por etapas incrementos de

pressão de água no interior do provete e de tensão vertical na membrana, forçando-se a

circulação de água no seu interior. As etapas de carregamento realizadas apresentam-se na

Tabela 8.

Tabela 8 – Etapas de carregamento efetuadas na fase de saturação dos provetes

Patamar Tensão na

membrana (kPa)

Pressão

intersticial (kPa)

1 30 0

2 60 30

3 90 60

4 120 90

5 150 120

6 180 150

7 210 180

Uma décalage de 30 kPa entre a tensão na membrana e a pressão intersticial aplicada, foi

realizada para simular o primeiro patamar de carga (não se impediu a expansão do provete

durante a fase de saturação). Assim melhorou-se a conformidade com o ensaio edométrico.

Após esta fase, realizou-se um carregamento não drenado, aplicando-se uma tensão na

membrana de 30 kPa. Com este carregamento, foi possível realizar a verificação da saturação



do provete através da medição do parâmetro B de Skempton, parâmetro esse que é semelhante

ao grau de saturação para valores superiores a 90%. Para a determinação desse parâmetro

recorreu-se à expressão 33.

B = ∆𝑢

∆𝜎v (33)

Em que:

∆𝑢, representa a variação da pressão intersticial resultante de uma variação de tensão vertical

∆𝜎v.

Com a realização deste carregamento obteve-se um parâmetro de Skempton B de 0,51. Por fim,

realizou-se a consolidação do provete de acordo com os patamares de carga descritos na Tabela

7.

a) b)

Figura 32 – Configuração do ensaio CR2, durante a fase da saturação do provete

O objetivo do ensaio CR3 foi a obtenção de um parâmetro de Skempton superior a 0,90, por

forma a garantir-se a saturação do provete antes de este ser consolidado. Neste ensaio não foram

efetuadas alterações na configuração descrita no ensaio CR2. No entanto, teve-se o cuidado de

retirar o parafuso existente no centro da placa rígida.

Realizou-se a saturação do provete, de acordo com os patamares descritos na Tabela 8, e de

seguida o carregamento não drenado, obtendo-se um parâmetro B de Skempton de 0,68. Como

mais uma vez, este parâmetro esteve longe dos 90%, não se procedeu à fase da consolidação.


Eduardo Mendes 53

Com o mesmo objetivo do ensaio descrito anteriormente, realizou-se o ensaio CR4.

Neste ensaio a configuração manteve-se inalterada, mas outros cuidados foram considerados,

tais como:

a) Substituição do manómetro regulador de pressão da membrana por um sensor de

pressão;

b) Devido à dificuldade de colocar adequadamente a membrana no interior da célula

reduziu-se a espessura do provete de 50 mm para 40 mm;

c) Com recurso a um sistema de vácuo recuou-se totalmente a membrana, inclinou-se a

célula e abriram-se as torneiras de injeção de água no interior da célula. Com isto,

conseguiu-se retirar todo ar existente entre a membrana e o provete (Figura 33).

Com estas alterações, conseguiu-se um parâmetro B de Skempton de 0,88, que pareceu o valor

aceitável para a realização do ensaio de consolidação.

Na fase de consolidação deste provete constatou-se que a pressão lida pelo sensor do topo ainda

não seria desejada, pois esta deveria descer instantaneamente até ao valor obtido no final do

processo de saturação, ou seja, 180 kPa. Tal não foi verificado possivelmente devido ao fato de

a membrana ter impedido o acesso ao sensor de pressão, e deste modo não foram realizadas as

leituras de pressão corretamente.

Figura 33 – Sistema de vácuo utilizado para recolher totalmente a membrana

Quanto ao ensaio CR5, efetuou-se apenas uma alteração na configuração do sistema de ensaio,

que passou pela alteração da posição do sensor de pressão do topo, para permitir a leitura correta

da pressão no topo do provete durante a fase de consolidação. Com esta alteração chegou-se à



configuração que permite a correta realização de ensaios de consolidação com recurso à célula

de Rowe, no LEST-UMinho, representada nas Figura 34a e 34b.

a) b)

Figura 34 – Configuração do ensaio CR5, durante a fase da saturação do provete

(Configuração final)

3.5 Ensaio de corte direto

Com o objetivo de dar resposta ao problema identificado por Pereira (2015), realizaram-se

ensaios de consolidação, na caixa de corte do LEST, por forma a resolver esta questão.


Tal como no ensaio edométrico e na célula de Rowe, determinou-se inicialmente a massa de

solo e de água a utilizar recorrendo-se às equações 31 e 32. Neste caso, assim como no ensaio

edométrico, utilizou-se o molde Proctor pequeno, mas desta vez impondo-se uma altura de 40

mm, pois o anel da caixa de corte possui uma altura de 29,97 mm, tendo-se obtido um volume

de 324,93 cm3.

Na Tabela 9, encontram-se as quantidades de solo e água utilizados na preparação da mistura.

Tabela 9 – Quantidades utilizadas na preparação das misturas da caixa de corte direto.


587,70 88,15 675,85


Eduardo Mendes 55

Relativamente à preparação da mistura e à reconstituição dos provetes procedeu-se da forma

referida no ponto 3.3.2.

3.5.2 Tipos de ensaios realizados

Na tabela 10, encontram-se os ensaios de consolidação realizados na caixa de corte do LEST.

Tabela 10 – Ensaios de consolidação realizados na caixa de corte direto

Provete Designação do

Ensaio

Patamares de carga

(kPa) Parâmetro em estudo

1 CC1 30 → 240 Melhoramento do

processo de consolidação 2 CC2 30 → 240

Relativamente ao ensaio CC1, foi realizado de acordo com os procedimentos utilizados por

Pereira (2015). Por forma a melhorar o processo de consolidação, no ensaio CC2, colocou-se

uma pedra porosa entre o provete e a peça de topo da caixa de corte.

3.5.3 Procedimentos de ensaio

Para a realização dos ensaios de consolidação na caixa de corte procedeu-se do seguinte modo:

a) Transferiu-se provete do anel para a caixa (Figura 35a);

b) Travou-se e colocou-se a carga referente ao primeiro patamar na caixa de corte (Figura

35b);

c) Iniciou-se a gravação de dados através de um programa de aquisição automática;

d) Destravou-se o braço e encheu-se a totalmente caixa com água (Figura 35c);

e) Por cada mudança de patamar de carga aguardou-se por um período de 24 horas.

a) b) c)

Figura 35 – Procedimento para a realização de ensaios de consolidação na caixa de corte

Apresentação e análise de resultados

Eduardo Mendes 57

APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS

4.1 Ensaio edométrico


Na Tabela 11, encontram-se as características iniciais de cada um dos provetes reconstituídos

antes de serem sujeitos ao ensaio edométrico.

Tabela 11 – Características iniciais dos provetes utilizados para a realização de ensaios

edométricos

Designação

do Ensaio

Parâmetro

em estudo

Patamares de

carga (kPa)

ω

(%)

ρ

(Mg/m3) e0 S

E1

Incremento

de carga

29,60 → 238,68 15,10 2,04 0,450 0,86

E2 15,06 2,05 0,443 0,87

E3 29,60 → 59,20 →

118,33 → 238,68

14,73 2,03 0,449 0,84

E4 14,93 2,05 0,440 0,87

E5 Grau de

saturação 29,60 → 238,68

0,63 1,79 0,445 0,04

E6 0,81 1,81 0,431 0,05

E7 Condições

de drenagem 29,60 → 238,68

14,44 2,07 0,419 0,89

E8 15,02 2,07 0,417 0,92

Pela análise da Tabela 11, pode-se observar que as condições iniciais de todos os provetes em

termos de teor em água, massa volúmica, índice de vazios inicial e grau de saturação inicial,

são idênticas, à exceção dos provetes utilizados nos ensaios E5 e E6, pois pretendia-se que estes

estivessem completamente secos.

4.1.2 Assentamento inicial dos provetes

Após a realização do primeiro patamar de carga do ensaio edométrico E1, verificou-se a

existência de um considerável assentamento inicial nos primeiros segundos do ensaio. Com o

objetivo de compreender o motivo deste assentamento, aquando a realização dos ensaios



seguintes, alguns cuidados adicionais foram tidos em conta. Esses cuidados incidiram sobre o

modo de destravamento do braço do edómetro e no aperfeiçoamento da superfície do provete,

antes da sua colocação na câmara edométrica.

Na Figura 36, encontram-se os resultados do primeiro patamar de carga (i.e., 29,60 kPa) dos

primeiros 3 ensaios (i.e., E1, E2 e E3).

E1

ω (%) = 15,10

ρ (Mg/m3) = 2,04

e0 = 0,450

E2

ω (%) = 15,06

ρ (Mg/m3) = 2,05

e0 = 0,443

E3

ω (%) = 14,73

ρ (Mg/m3) = 2,03

e0 = 0,449

Figura 36 – Curvas s - log t, dos ensaios E1, E2 e E3 (patamar de carga de 29,60 kPa)

Analisando a curva s - log t resultante do ensaio E1 (Figura 35), pode-se constatar que existiu

um notável assentamento instantâneo de aproximadamente 0,27 mm até aos 0,06 min (3,6 s).

Já na homologa curva do ensaio E2, observa-se uma diminuição do assentamento instantâneo

para mais de metade (i.e., 0,11 mm) do valor verificado na curva E1. Nesta figura, está ainda

representada a curva do ensaio E3, em que o assentamento instantâneo atingiu valores residuais

de 0,06 mm, valores esses, que podem ser ainda diminuídos se for tida em conta a deformação

do equipamento, assunto já abordado no capítulo 2 e quantificado no capítulo 3.

Tendo em conta que, as alterações realizadas do ensaio E1 para os restantes ensaios foram, o

aumento da rapidez do destravamento do braço e aperfeiçoamento da superfície do provete

(Figura 37b), e verificando-se com estas, uma diminuição significativa do assentamento

instantâneo, concluiu-se que estes parâmetros influenciaram diretamente a qualidade dos

resultados obtidos nestes ensaios, nos primeiros instantes. Por esse motivo, o destravamento do

braço deve ser instantâneo aquando a realização destes ensaios, e a superfície do provete deve

estar o mais regular possível.

-0,80

-0,60

-0,40

-0,20

0,00

0,20

0,40

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000

s(m

m)

log t (min)

E1 E2 E3


Eduardo Mendes 59

Os resultados dos ensaios apresentados nos pontos que se seguem, encontram-se devidamente

tratados de modo a que o ajuste inicial fosse eliminado. De notar que, em todos os resultados

obtidos a deformação do equipamento, apesar de quantificada, se entendeu que mesma pode ser

desprezada, pois trata-se de uma deformação instantânea que está incluída no ajuste inicial e,

como tal, não tem interferência no processo de consolidação dos provetes.

a) E1 b) E2

Figura 37 – Comparação entre as superfícies dos provetes (ensaios E1 e E2)

4.1.3 Influência do incremento de carga

Conforme o referido no ponto 3.3.3, realizaram-se 4 ensaios para avaliar a influência da

magnitude do incremento de carga no ensaio edométrico convencional. Os resultados obtidos

em termos de evolução do assentamento (s) em função do logaritmo do tempo (log t) do

primeiro patamar de carga adotado (i.e., 29,60 kPa), encontram-se na Figura 38.

E1

ω (%) = 15,10

ρ (Mg/m3) = 2,04

e0 = 0,450

E2

ω (%) = 15,06

ρ (Mg/m3) = 2,05

e0 = 0,443

E3

ω (%) = 14,73

ρ (Mg/m3) = 2,03

e0 = 0,449

E4

ω (%) = 14,93

ρ (Mg/m3) = 2,05

e0 = 0,440

Figura 38 – Curvas s - log t, dos ensaios E1, E2, E3 e E4 (patamar de carga de 29,60 kPa)

-0,70

-0,60

-0,50

-0,40

-0,30

-0,20

-0,10

0,00

0,10

0,1 1 10 100 1000 10000

s(m

m)

log t (min)

E1 E2 E3 E4



Analisando a Figura 38, percebe-se que os provetes de argila para este nível de tensão aplicada,

sofrem expansibilidade. De modo geral, verifica-se que os provetes comportam-se de modo

similar, quer em termos de nível de expansibilidade, quer em termos de tempo para que este

processo termine. Não se procede neste estudo à análise aprofundada da expansibilidade, por

não se tratar de um objetivo deste estudo. Salienta-se, contudo, que os ensaios de consolidação

devem começar, desejavelmente, por um patamar de carregamento que anule este efeito. Tal

não foi aqui considerado por a expansibilidade não comprometer a validade dos resultados.

Quanto aos restantes patamares de carga, não é possível realizar uma comparação direta dos

resultados através das curvas s - log t obtidas, pois os ensaios não foram realizados com as

mesmas proporções de incrementos de carga (Tabela 11).

Para se efetuar a comparação direta dos dois tipos de ensaios realizados, optou-se pela

construção da curva índice de vazios (e) em função do logaritmo da tensão efetiva vertical (log

𝜎v′). Antes da sua construção, apresentam-se primeiramente os resultados obtidos em termos de

curvas s - log t dos ensaios E1 e E2 para o segundo patamar de carga (i.e., 238,68 kPa) (Figura

39), e para os 3 patamares de carga restantes dos ensaios E3 e E4 (i.e., 59,20 kPa; 118,33 kPa

e 238,68 kPa) (Figura 40).

E1

ω (%) = 15,10

ρ (Mg/m3) = 2,04

e0 = 0,450

E2

ω (%) = 15,06

ρ (Mg/m3) = 2,05

e0 = 0,443

Figura 39 – Curvas s - log t, dos ensaios E1 e E2 (patamar de carga de 238,68 kPa)

Observando-se a Figura 39, em que se octuplicou a tensão vertical em relação à aplicada

inicialmente (i.e., de 29,60 kPa para 238,68 kPa), verifica-se que, ambas as curvas evoluíram

de forma semelhante ao longo do tempo, demostrando que existiu reprodutibilidade deste

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,1 1 10 100 1000 10000

s(m

m)

log t (min)

E1 E2


Eduardo Mendes 61

ensaio. É possível verificar também que as curvas obtidas se assemelham às que seriam de

esperar teoricamente, existindo uma fase inicial parabólica, correspondente aos assentamentos

iniciais, seguida de um ramo linear, correspondente à fase de consolidação primária e um ramo

praticamente paralelo ao eixo das abcissas, o que indica, que a consolidação secundária para

este solo não é relevante.

E3

ω (%) = 14,73

ρ (Mg/m3) = 2,03

e0 = 0,449

E4

ω (%) = 14,93

ρ (Mg/m3) = 2,05

e0 = 0,440

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)

Analisando as curvas de s - log t resultantes da duplicação da tensão em cada patamar (Figura

40), constata-se que, de modo geral, a reprodutibilidade dos patamares de cada ensaio, em

termos de assentamento e tempo. Observa-se ainda, que o assentamento aumenta à medida que

se aumenta a tensão vertical, e pelo contrário, o tempo necessário a que termine o processo de

consolidação, vai diminuindo. Novamente, verifica-se que a consolidação secundária é

praticamente inexistente.

Na elaboração das curvas e - log 𝜎v′ , recorreu-se à construção de Casagrande e de Taylor, para

determinação dos assentamentos no final da consolidação primária (s100). Com isto, e tendo em

conta as características iniciais dos provetes, foi possível calcular o índice de vazios no final da

consolidação primária de cada patamar de carga considerado. No anexo A, encontra-se descrito

detalhadamente o processo para obtenção destas curvas, que estão apresentadas na Figura 41.

0,00

0,10

0,20

0,30

0,1 1 10 100 1000 10000

s(m

m)

log t (min)

E3 E4

σv (kPa)

=59,20

σv (kPa)

=118,33

σv (kPa)

=238,68



a) Casagrande b) Taylor

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

Pela análise das curvas obtidas na Figura 41, verifica-se que, quer pelo método de Casagrande

quer pelo método de Taylor, a evolução do índice de vazios em função do logaritmo da tensão

efetiva vertical, segue uma tendência similar entre os 4 ensaios, embora todos eles iniciem com

índices de vazios inicial distintos. Esta diferença entre os índices de vazios inicial deve-se

possivelmente a duas causas, ao fato de existirem ajustes iniciais e devido à necessidade de em

laboratório ser necessário controlar este valor com a precisão de 0,001, o que se torna muito

difícil. Conclui-se que é importante melhorar o processo de obtenção deste parâmetro em

laboratório.

Para se realizar uma análise mais rigorosa dos resultados, considera-se agora, apenas o índice

de vazios final de cada ensaio, obtido por cada método, estando representados os resultados de

forma gráfica na Figura 42.

0,44

0,45

0,46

0,47

0,48

0,49

0,50

10 100 1000

e

log σ'v

0,44

0,45

0,46

0,47

0,48

0,49

0,50

10 100 1000

e

log σ'v


Eduardo Mendes 63

Figura 42 – Valores do índice vazios no final dos ensaios 4 ensaios, pelo método de

Casagrande e de Taylor

Da análise dos gráficos da Figura 42, é possível verificar através da comparação do índice de

vazios final, dos ensaios E1 e E2, cuja solicitação foi octuplicada, com o dos ensaios E3 e E4,

cuja solicitação foi duplicada, que este é praticamente semelhante nos 4 ensaios, quer pelo

método de Casagrande, quer pelo de Taylor. Com isto, é possível concluir que a magnitude do

incremento de carga adotada para este estudo e para o solo considerado, não afetou diretamente

os resultados finais obtidos em termos de índice de vazios final e consequentemente em termos

de assentamento final.

Ao contrário do observado no estudo realizado por Leonards & Altschaeffl (1964), que

concluíram existir influência da magnitude do incremento de carga aplicado quando esse fosse

superior à tensão efetiva já nele instalada (i.e., 𝛥𝜎

𝜎′> 1), neste estudo, tal não se observou,

podendo-se justificar este acontecimento, pelo fato do solo considerado não apresentar

consolidação secundária relevante.

No caso particular dos índices de vazios finais obtidos pelo método de Taylor, observa-se que

estes são sempre superiores aos obtidos pelo método de Casagrande, evidenciando-se essa

superioridade nos ensaios E3 e E4. Tal, pode ser justificado pelos valores de assentamento no

final do processo de consolidação primária, obtidos pelo método de Taylor, serem inferiores

aos obtidos pelo método de Casagrande, devido à dificuldade da definição do ramo linear por

0,4

58

0,4

66

0,4

65

0,4

52

0,4

64

0,4

67

0,4

77

0,4

64

0,4 35

0,4 4

0,4 45

0,4 5

0,4 55

0,4 6

0,4 65

0,4 7

0,4 75

0,4 8

E1 E2 E3 E4

e fin

al

Casagrande Taylor



este método, o que influencia diretamente o índice de vazios final. A superioridade mais

acentuada existente nos ensaios E3 e E4, pode ser explicada pela necessidade de se realizar a

construção de Taylor para os 3 patamares considerados, enquanto que, nos ensaios E1 e E2

apenas é necessária a sua construção uma única vez, existindo um menor erro associado.

Com a realização deste estudo, considerando o solo argiloso em análise, em que a consolidação

secundária não é relevante, chegou-se à conclusão que, quando se pretende realizar ensaios

edométricos em que o objetivo final é o da determinação do assentamento para uma dada tensão,

não é condição obrigatória realizar a duplicação da solicitação até à tensão pretendida.

4.1.4 Influência do grau de saturação inicial

Para se avaliar a influência do grau de saturação inicial do provete, nos resultados obtidos a

partir da realização de ensaios edométricos, executaram-se dois ensaios (i.e., E5 e E6) impondo-

se um grau de saturação nulo. Nas Figuras 43 e 44, encontram-se os resultados obtidos da

execução destes ensaios, comparados com os ensaios de referência E1 e E2, que se encontram

próximos da saturação inicial.

E1

ω (%) = 15,10

ρ (Mg/m3) = 2,04

e0 = 0,450

E2

ω (%) = 15,06

ρ (Mg/m3) = 2,05

e0 = 0,443

E5

ω (%) = 0,63

ρ (Mg/m3) = 1,79

e0 = 0,445

E6

ω (%) = 0,81

ρ (Mg/m3) = 1,81

e0 = 0,431


Da análise da Figura 43, verifica-se que no primeiro patamar de carga, os ensaios realizados

com um grau de saturação inicial nulo demonstraram maior propensão de expansão quando

comparados com os ensaios realizados próximos da saturação inicial. Para além disto, é possível

-1,00

-0,80

-0,60

-0,40

-0,20

0,00

0,20

0,1 1 10 100 1000 10000

s(m

m)

log t (min)

E1 E2 E5 E6


Eduardo Mendes 65

observar que, mesmo expandindo mais, os provetes dos ensaios E5 e E6 estabilizaram num

período de tempo mais longo que os outros dois (i.e., E1 e E2).

E1

ω (%) = 15,10

ρ (Mg/m3) = 2,04

e0 = 0,450

E2

ω (%) = 15,06

ρ (Mg/m3) = 2,05

e0 = 0,443

E5

ω (%) = 0,63

ρ (Mg/m3) = 1,79

e0 = 0,445

E6

ω (%) = 0,81

ρ (Mg/m3) = 1,81

e0 = 0,431


Observando agora, de um modo geral, o comportamento da argila no segundo patamar de carga

(Figura 44), constata-se uma vez mais a existência de reprodutibilidade dos ensaios realizados.

Os provetes ensaiados com um grau de saturação inicial nulo tiveram um assentamento inicial

superior aos ensaios realizados próximos da saturação. Nos ensaios E5 e E6, observa-se uma

evolução dos assentamentos ao longo do tempo de forma mais rápida, quando comparada com

os ensaios de referência. Com isto, verifica-se que, os ensaios E5 e E6 atingiram o final da

consolidação primária em menor tempo e com maior nível de assentamento do que os ensaios

E1 e E2.

Para se quantificar melhor a influência do grau de saturação inicial aquando a realização dos

ensaios edométricos, com base nas curvas s - log t da Figura 44, correspondente ao segundo

patamar de carga, determinaram-se diversos parâmetros.

O primeiro, consistiu na determinação do assentamento e do tempo correspondente ao final da

consolidação primária (s100 e t100) pelo método de Casagrande e pelo método de Taylor. Com

isto, foi possível calcular o coeficiente de consolidação vertical (cv) e consequentemente a

permeabilidade (k) do solo em estudo, para o nível de solicitação considerada. Os

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

0,1 1 10 100 1000 10000

s(m

m)

log t (min)

E1 E2 E5 E6



procedimentos para o cálculo destes parâmetros encontram-se no Anexo B, e os resultados

obtidos encontram-se na Figura 45.

a) b)

c) d)



Analisando os resultados obtidos na Figura 45a, verifica-se que existiu reprodutibilidade entre

os ensaios realizados nas mesmas condições em termos de assentamentos no final do processo

de consolidação primária. Por exemplo, observando o assentamento do ensaio E1 comparado

com o E2, verificam-se valores de assentamento de 0,351mm e de 0,325 mm.

0,3

51

0,3

25

0,5

58

0,6

31

0,2

72

0,2

99 0

,38

9

0,4

19

0,0 00

0,1 00

0,2 00

0,3 00

0,4 00

0,5 00

0,6 00

0,7 00

E1 E2 E5 E6

s 10

0 (m

m)

Casagrande Taylor

22

,05

5

21

,37

1

8,9

28 1

2,1

451

6,3

3

17

,45

6

5,9

29

5,5

74

,

5,

10,

15,

20,

25,

E1 E2 E5 E6

t 10

0(m

in)

Casagrande Taylor

0,2

10

0,1

98

0,4

65

0,3

97

0,1

50

0,1

43

0,3

79

0,3

84

0,0 00

0,0 50

0,1 00

0,1 50

0,2 00

0,2 50

0,3 00

0,3 50

0,4 00

0,4 50

0,5 00

E1 E2 E5 E6

c v (

mm

2/s

)

Casagrande Taylor

1,7

21

1,4

95

5,9

46

5,7

65

0,9

53

0,9

92

3,3

85

3,7

01

0,0 00

1,0 00

2,0 00

3,0 00

4,0 00

5,0 00

6,0 00

7,0 00

E1 E2 E5 E6

k ×

10 -8

(cm

/s)

Casagrande Taylor


Eduardo Mendes 67

Em termos de assentamento entre ensaios, com condições de saturação distinta, verifica-se que

os ensaios realizados com um grau de saturação inicial nulo registaram assentamentos 2 vezes

superiores aos ensaios de referência, para este nível de solicitação. Comparando os níveis de

assentamentos entre as duas construções utilizadas verifica-se que a construção Casagrande

apresenta valores superiores aos verificados pelo método de Taylor, sendo essa diferença mais

acentuada nos ensaios em que o grau de saturação inicial foi nulo.

Observando agora a Figura 45b, verifica-se primeiramente a reprodutibilidade em termos de

tempo de assentamento entre ensaios com diferentes condições. Constata-se que, os ensaios

realizados com condições de saturação inicial nula demoraram 2 vezes menos tempo a

atingirem o final da consolidação primária quando comparados com os ensaios de referência.

Verifica-se que, pela construção de Casagrande o valor do tempo no final da consolidação

primária é superior ao obtido pela construção de Taylor.

Em termos de coeficiente de consolidação vertical obtido para este nível de solicitação (Figura

45c), constata-se que, nos ensaios realizados com grau de saturação nulo este coeficiente é

aproximadamente, 2 vezes superior, quer para os valores obtidos pelo método de Casagrande,

quer para os obtidos pelo método de Taylor. Também se verifica que os valores obtidos se

encontram na mesma ordem de grandeza dos valores típicos para argila, referidos no capítulo

2.

Analisando os valores de permeabilidade obtidos na Figura 45d, observa-se que, os ensaios

realizados com grau de saturação inicial nulo apresentaram permeabilidade 3 vezes superior à

registada nos provetes que se encontravam próximos da saturação inicial, para ambos os

métodos, como seria de esperar, pois o tempo de consolidação foi mais rápido nos provetes com

grau de saturação nulo. Também se verifica que, os coeficientes de permeabilidade obtidos se

encontram de acordo com os valores típicos definidos por Das & Sobhan (2014).

Concluindo, com a realização deste estudo, verificou-se que utilizando de um provete não

saturado antes da realização de um ensaio edométrico se obtêm características de consolidação,

em termos de assentamento, tempo, coeficiente de consolidação vertical e permeabilidade

diferentes das que se obteriam se o provete fosse saturado inicialmente. Tendo em conta que,

uma das hipóteses admitidas por Terzaghi para a elaboração da sua teoria assenta na utilização

de provetes totalmente saturados e que, com a constatação de que existe influência do grau de



saturação inicial, parece fundamental que os provetes ensaiados aprestem originalmente graus

de saturação próximos de 100%.

4.1.5 Influência das condições de drenagem

A influência das condições de drenagem foi avaliada através da realização de dois ensaios

edométricos (i.e., E7 e E8), cujo objetivo foi o de verificar se existia drenagem radial nos

provetes ensaiados. Estes provetes foram ensaiados apenas com uma fronteira drenante (ponto

3.3.3) e compararam-se os seus resultados com os obtidos nos ensaios E1 e E2, realizados com

dupla fronteira. Sabendo-se que teoricamente os ensaios realizados com uma fronteira drenante

(assumindo inexistência de drenagem nas paredes radiais) demoram 4 vezes mais tempo a

consolidar do que os realizados com dupla fronteira drenante, pretendeu-se verificar esta

condição.

Nas Figuras 46 e 47, encontram-se os resultados obtidos para os 4 ensaios dos dois patamares

de solicitação considerados, respetivamente.

E1

ω (%) = 15,10

ρ (Mg/m3) = 2,04

e0 = 0,450

E2

ω (%) = 15,06

ρ (Mg/m3) = 2,05

e0 = 0,443

E7

ω (%) = 14,44

ρ (Mg/m3) = 2,07

e0 = 0,419

E8

ω (%) = 15,02

ρ (Mg/m3) = 2,07

e0 = 0,417


Da análise da Figura 46, verifica-se que os ensaios realizados com uma fronteira drenante

apresentaram maior expansibilidade e demoram mais tempo a dissipar toda a pressão intersticial

quando comparados com os realizados com dupla fronteira.

-1,20

-1,00

-0,80

-0,60

-0,40

-0,20

0,00

0,20

0,1 1 10 100 1000 10000

s(m

m)

log t (min)

E1 E2 E7 E8


Eduardo Mendes 69

E1

ω (%) = 15,10

ρ (Mg/m3) = 2,04

e0 = 0,450

E2

ω (%) = 15,06

ρ (Mg/m3) = 2,05

e0 = 0,443

E7

ω (%) = 14,44

ρ (Mg/m3) = 2,07

e0 = 0,419

E8

ω (%) = 15,02

ρ (Mg/m3) = 2,07

e0 = 0,417


Analisando o segundo patamar de carga (i.e., 238,68 kPa), observa-se claramente que, a

evolução das curvas de assentamento ao longo do logaritmo do tempo dos ensaios E7 e E8

processa-se de forma mais lenta quando comparada com os ensaios E1 e E2, tal como seria de

esperar. O nível de assentamento final é ligeiramente superior ao verificado nos ensaios de

referência, mas não de forma condicionante na validade dos mesmos.

De modo verificar-se a condição referida anteriormente, determinou-se o parâmetro (t100) dos

ensaios E7 e E8 e comparou-se com os obtidos nos ensaios E1 e E2. Para além deste,

determinaram-se também os parâmetros s100, o cv e o k. Os resultados obtidos encontram-se na

Figura 48.

a) b)

0,00

0,20

0,40

0,60

0,1 1 10 100 1000 10000s

(mm

)

log t (min)

E1 E2 E7 E8

0,3

51

0,3

25 0

,38

2

0,3

86

0,2

72

0,2

99

0,2

55

0,2

47

0,0 00

0,0 50

0,1 00

0,1 50

0,2 00

0,2 50

0,3 00

0,3 50

0,4 00

0,4 50

E1 E2 E7 E8

s 10

0(m

m)

Casagrande Taylor

22

,05

5

21

,37

1

86

,80

1

87

,95

4

16

,33

17

,45

6

22

,84

8

21

,06

8

,

10,

20,

30,

40,

50,

60,

70,

80,

90,

100 ,

E1 E2 E7 E8

t 10

0(m

in)

Casagrande Taylor



c) d)



Analisando a Figura 48a, verifica-se que os assentamentos no final da consolidação primária

são praticamente semelhantes para os 4 ensaios, como seria de esperar, uma vez que a alteração

feita ao provete (i.e., colocação de uma membrana impermeável na sua base) não influencia os

valores de assentamento finais obtidos. Mais uma vez pela construção de Taylor obtiveram-se

valores de assentamento menores que na de Casagrande.

Observando os valores de t100 obtidos pelo método de Casagrande, para os ensaios E7 e E8,

verifica-se que estes são 4 vezes superiores aos obtidos nos ensaios de referência, o que

demonstra que a drenagem radial, neste estudo, e para o solo considerado, a verificar-se é muito

reduzida, não afetando significativamente a qualidade dos resultados obtidos através da

realização de ensaios edométricos, desde que os resultados sejam analisados pelo método de

Casagrande. Relativamente aos valores de t100 obtidos pelo método de Taylor, a condição não é

verificada, uma vez que existe uma grande dificuldade na definição do ramo linear, por este

método, sendo neste caso, preferível a utilização do método de Casagrande, até porque, neste

solo a consolidação secundária não é relevante o que facilita a utilização deste método.

Analisando os resultados a nível de coeficiente de consolidação vertical e de permeabilidade

(Figura 48c e 48d), tal como seria de esperar, os valores dos 4 ensaios realizados são

0,2

10

0,1

98 0

,25

5

0,2

38

0,1

50

0,1

43

0,3

64

0,3

83

0,0 00

0,0 50

0,1 00

0,1 50

0,2 00

0,2 50

0,3 00

0,3 50

0,4 00

0,4 50

E1 E2 E7 E8

c v (

mm

2/s

)

Casagrande Taylor

1,7

21

1,4

95

2,2

39

2,0

82

0,9

53

0,9

92

2,1

30

2,1

48

0,0 00

0,5 00

1,0 00

1,5 00

2,0 00

2,5 00

E1 E2 E7 E8

k×

10 -

8 (

cm/s

)

Casagrande Taylor


Eduardo Mendes 71

praticamente iguais, pelo método de Casagrande. No método de Taylor não se verifica esta

igualdade, pelo escrito anteriormente.

Com a realização deste estudo, conclui-se que, para o solo considerado e o nível de solicitação

aplicado, a drenagem radial no interior do provete não tem influência significativa nos

resultados obtidos a partir da realização de ensaios edométricos, desde que os resultados sejam

analisados pelo método de Casagrande.

4.2 Ensaio de consolidação na Célula de Rowe

Conforme o já enunciado nos objetivos desta dissertação realizou-se a implementação da célula

de Rowe, no LEST-UMinho. Para tal, realizaram-se diversos ensaios de implementação, já

abordados no ponto 3.4.3. Seguidamente, encontram-se os resultados obtidos nos diversos

ensaios realizados.



antes de serem sujeitos ao ensaio de consolidação na célula de Rowe.

Tabela 12 – Características iniciais dos provetes utilizados para a realização de ensaios de

consolidação na célula de Rowe

Designação

do ensaio

Patamares de carga

(kPa)

ω

(%)

ρ

(Mg/m3) e0 S

B

CR1 30 → 240 14,81 2,04 0,447 0,85 -

CR2 30 → 60 → 120 →240 15,27 2,06 0,438 0,90 0,51

CR3 - 14,11 2,04 0,438 0,83 0,68

CR4 30 → 240 15,09 2,03 0,458 0,85 0,88

CR5 30 → 240 15,54 2,05 0,447 0,84 0,82

Da análise da Tabela 12, verifica-se que todos os provetes reconstituídos na célula de Rowe

possuem características iniciais semelhantes entre si e entre os provetes utilizados nos ensaios

edométricos (Tabela 11).



4.2.2 Ensaio CR1

O primeiro ensaio de implementação na célula de Rowe foi executado sem a realização da fase

de saturação inicial. Os resultados obtidos para os dois patamares de carga considerados

encontram-se na Figura 49. A partir destes não podem ser retiradas conclusões visto que este

ensaio serviu apenas para adquirir experiência relativamente à utilização da célula.

CR1

ω (%) = 14,81

ρ (Mg/m3) = 2,04

e0 = 0,447

Figura 49 – Curvas s - log t, do ensaio CR1 (patamares de carga de 30 kPa e 240 kPa)

4.2.3 Ensaio CR2

No segundo ensaio realizado com a célula, realizou-se uma fase anterior à consolidação do

provete, a saturação. Nesta primeira tentativa de saturação do provete foi obtido um B=0,51

(longe de atingir a saturação). Os resultados em termos de curva s - log t dos vários patamares

considerados para este ensaio encontram-se na Figura 50. Neste caso, já é possível verificar

uma melhoria aparente das curvas resultantes do processo de consolidação quando comparadas

com as obtidas no ensaio CR1.

0,00

0,02

0,04

0,06

0,1 1 10 100 1000 10000

s(m

m)

log t (min)

0,3 bar 2,4 bar 30 kPa 240 kPa


Eduardo Mendes 73

CR2

ω (%) = 15,27

ρ (Mg/m3) = 2,06

e0 = 0,438

Figura 50 – Curvas s - log t, do ensaio CR2 (patamares de carga de 60 kPa, 120 kPa e 240

kPa)

4.2.4 Ensaio CR4

Após a tentativa sem sucesso de saturação no ensaio CR3, e depois de executados os

procedimentos descritos no ponto 3.4.3 para este ensaio, conseguiu-se obter um parâmetro de

B=0,88, através da realização do ensaio CR4. Neste ensaio, existiu um problema na leitura das

pressões no sensor do topo (a qual deveria ter passado para zero de modo quase instantâneo).

Na Figura 51, encontra-se o resultado obtido em termos de curva em termos de s – log t.

CR4

ω (%) = 15,09 ρ (Mg/m3) = 2,03

e0 = 0,458

Figura 51 – Curva s - log t, do ensaio CR4 (patamar de carga de 240 kPa)

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0,1 1 10 100 1000 10000s

(mm

)

log t (min)

0,6 bar 1,2 bar 2,4 bar

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0,1 1 10 100 1000 10000

s (m

m)

log t (min)

60 kPa 120 kPa 240 kPa



4.2.5 Ensaio CR5

Este ensaio foi considerado totalmente válido, quer em termos da fase da saturação do provete,

do carregamento não drenado e da fase de consolidação, onde foi possível registar corretamente

as leituras em termos de curva s - log t, evolução das pressões intersticiais na base e no topo do

provete. Na Figura 52, encontra-se representada graficamente a fase de saturação do provete,

em que se registou a tensão vertical aplicada na membrana, bem como a pressão intersticial

introduzida pelo topo e base do provete.

CR5

ω (%) = 15,54

ρ (Mg/m3) = 2,05

e0 = 0,447

Figura 52 – Fase de saturação do provete (Ensaio CR5)

Da Figura 52, é possível verificar que para se realizar a saturação do provete foi necessário

realizar etapas de carregamento ao longo do tempo, já definidas na Tabela 8 do capítulo 3. É

possível observar-se que para cada etapa de carregamento se aplicou uma diferença entre a

tensão na membrana e a pressão intersticial na base e no topo de 30 kPa. Para que assim, ao

longo desta fase se reproduzisse o primeiro patamar de carga e posteriormente se puder

comparar corretamente os resultados obtidos a partir da realização de ensaios edométricos. É

ainda possível verificar que cada etapa da saturação durou cerca de 60 minutos, sendo que

quando se atingiu a última etapa aguardou-se pelo menos 12 horas para a realização da fase

seguinte.

A fase seguinte consistiu na realização do carregamento não drenado, este carregamento

permitiu verificar o grau de saturação do provete, pois aplica-se um incremento de carga na

membrana e espera-se que as pressões lidas, quer no topo quer na base igualem o incremento

0

30

60

90

120

150

180

210

240

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

σ, u

top

o, u

bas

e (

kP

a)

t (min)

σ(membrana) u(topo) u(base) σmembrana utopo ubase


Eduardo Mendes 75

de carga aplicado. Na Figura 53, encontram-se os resultados da realização do carregamento não

drenado para o ensaio CR5.

CR5

ω (%) = 15,54

ρ (Mg/m3) = 2,05

e0 = 0,447

Figura 53 – Carregamento não drenado (incremento de 30 kPa)

Através da análise da Figura 53, verifica-se que no instante da aplicação do carregamento na

membrana (i.e., incremento de 30 kPa) a pressão lida no sensor do topo subiu instantaneamente

mais de metade do incremento aplicado na membrana, evoluindo linearmente ao longo do

tempo até atingir valores próximos de 30 kPa. Já nas pressões registadas pela base observa-se

uma evolução lenta e gradual das pressões a partir do momento da aplicação do incremento, até

estabilizaram para os valores próximos dos 24 kPa.

Após a realização deste carregamento, realizou-se outro de modo a que a tensão aplicada na

membrana fosse a desejada. Após esse carregamento iniciou-se o processo de consolidação do

provete através da abertura da válvula de drenagem do topo. Os resultados obtidos em termos

de curva s - log t, são apresentados na Figura 54 e os valores das pressões registadas encontram-

se na Figura 55.

0

5

10

15

20

25

30

35

0 50 100 150 200 250 300

Títu

lo d

o E

ixo

Título do Eixo

Série3 Série2 Série1 Δσmembrana Δubase Δutopo



CR5

ω (%) = 15,54

ρ (Mg/m3) = 2,05

e0 = 0,447

Figura 54 – Curva s - log t do ensaio CR5 (patamar de carga 240 kPa)

Analisando a curva s - log t obtida da realização da fase de consolidação do ensaio CR5 verifica-

se que esta se aproxima muito da curva teórica. É possível verificar claramente uma fase inicial

parabólica correspondente ao assentamento inicial, um ramo linear, correspondente à fase de

consolidação primária e finalmente o início de um ramo paralelo ao eixo das abcissas, o que

demonstra que para este solo a consolidação secundária é praticamente inexistente. Também se

verifica que não necessário realizar correções a ajustes iniciais.

CR5

ω (%) = 15,54

ρ (Mg/m3) = 2,05

e0 = 0,447

Figura 55 – Evolução da tensão na membrana e das pressões intersticiais, no decorrer do

ensaio de consolidação CR5

Da Figura 55, denota-se a evolução das pressões no interior da célula a partir do instante em

que se iniciou o ensaio de consolidação, bem como da tensão aplicada na membrana. Verifica-

0,00

0,40

0,80

1,20

1,60

2,00

2,40

2,80

0,1 1 10 100 1000 10000s

(mm

)

log t (min)

0

40

80

120

160

200

240

0,1 1 10 100 1000 10000

σ, u

top

o, u

bas

e (

kP

a)

log t (min)Série3 Série2 Série1

σmembrana utopo ubase


Eduardo Mendes 77

se que, no instante da abertura da válvula de drenagem a pressão intersticial lida pelo sensor

colocado no topo desce instantaneamente a zero (que corresponde a 180 kPa, no final do

processo de saturação do provete), tal como seria de esperar, pois existiu um alívio das pressões

instaladas no topo aquando a abertura da válvula. Analisando a curva das pressões intersticiais

instaladas na base, observa-se que, aquando a abertura da válvula de drenagem as pressões se

mantêm constantes nos 3 primeiros minutos de ensaio, a partir desse momento decrescem

gradualmente até à sua completa dissipação, ou seja, até que o processo de consolidação

termine. Quanto à tensão aplicada na membrana, verifica-se que, esta se manteve constante ao

longo de todo o ensaio.

Posto isto, obteve-se o valor do assentamento e do tempo no final da consolidação primária

através do método de Casagrande e de Taylor, o coeficiente de consolidação vertical e a

permeabilidade do solo, estando os resultados apresentados na Figura 56.

a) b)

c) d)

Figura 56 – Resultados de s100, t100, cv e k para o ensaio CR5, pelo método de Casagrande e de

Taylor

2,4672,402

1,0000

1,2000

1,4000

1,6000

1,8000

2,0000

2,2000

2,4000

2,6000

Casagrande Taylor

s 10

0(m

m)

469,048

533,933

383,416

0,000

100 ,000

200 ,000

300 ,000

400 ,000

500 ,000

600 ,000

Casagrande Taylor Pressão na base

t 10

0(m

in)

0,059

0,068

0,0050

0,0150

0,0250

0,0350

0,0450

0,0550

0,0650

0,0750

Casagrande Taylor

c v (

mm

2/s

)

1,696

1,908

0,500

0,700

0,900

1,100

1,300

1,500

1,700

1,900

2,100

Casagrande Taylor

k×

10

-8(c

m/s

)



Analisando a Figura 56a, verifica-se que os assentamentos obtidos em ambos métodos são

semelhantes. O mesmo acontece no caso do tempo de consolidação (Figura 55b). Nesta figura,

é possível verificar também que o tempo registado pelo sensor de pressão na base da célula,

para que ocorra a completa dissipação da pressão intersticial, é ligeiramente menor do que o

obtido por ambas as construções, o que demonstra que pelas construções teóricas se prevê um

tempo de consolidação superior ao realmente verificado. Do mesmo modo o coeficiente de

consolidação vertical e a permeabilidade em ambos os métodos são muito semelhantes (Figura

56c e 56d).

Tal proximidade entre os valores dos diversos parâmetros, entre os dois métodos, deve-se ao

fato de os resultados obtidos através do ensaio realizado na célula de Rowe ser de melhor

qualidade, o que pode ser justificado pelas enumeras vantagens mencionadas no capítulo 2,

sendo que delas a mais influente parece ser o tamanho do provete, que faz com que haja menor

perturbação nos resultados.

Uma das conclusões que se pode retirar deste estudo, é que, tal como teoricamente seria de

esperar o valor do coeficiente de consolidação vertical é similar para o método de Casagrande

e de Taylor.

4.3 Ensaio de corte direto



antes de serem sujeitos ao ensaio de consolidação na caixa de corte direto.

Tabela 13 – Designação das características iniciais dos provetes utilizados para a realização

de ensaios de consolidação na caixa de corte direto

Designação

do Ensaio

Parâmetro em

estudo

Patamares de

carga (kPa)

ω

(%)

ρ

(Mg/m3) e0 S

CC1 Melhoramento do

processo de

consolidação

29,84 → 236,26 14,05 2,07 0,415 0,87

CC2 14,40 2,09 0,409 0,90


Eduardo Mendes 79

Analisando a Tabela 13, observa-se que ambos os provetes reconstituídos utilizados na

realização dos ensaios de consolidação apresentam condições iniciais semelhantes. Desta

forma, é possível realizar a comparação dos dois ensaios sem que as características iniciais

possuam grande influência nos resultados. Comparando estes valores com as características

iniciais dos ensaios edométricos (Tabela 11), verifica-se que possuem as mesmas condições, o

que permite realizar comparações de resultados entre equipamentos.

4.3.2 Melhoramento do processo de consolidação

Conforme o já explicado no ponto 3.5.2 realizaram-se 2 ensaios na caixa de corte por forma a

se melhorar o processo de consolidação, identificado com ineficiente por Pereira (2015). O

objetivo é o de comparar o tempo do fim da consolidação primária com o obtido num dos

ensaios edométricos de referência (i.e., ensaio E1).

Os resultados obtidos para os dois patamares de carga considerados (i.e., 29,84 kPa e 236,26

kPa) estão explanados nas Figuras 57 e 58, respetivamente.

CC1

ω (%) = 14,05

ρ (Mg/m3) = 2,07

e0 = 0,415

CC2

ω (%) = 14,40

ρ (Mg/m3) = 2,09

e0 = 0,409

Figura 57 – Curvas s - log t, dos ensaios CC1 e CC2 (patamar de carga de 29,84 kPa)

Observando os resultados obtidos na Figura 57, verifica-se nestes dois ensaios, tal como nos

ensaios edométricos realizados, um comportamento expansivo. Para este patamar verificou-se

a existência de reprodutibilidade dos resultados, embora no segundo ensaio se tenha colocado

uma pedra porosa adicional no topo.

-1,00

-0,80

-0,60

-0,40

-0,20

0,00

0,20

0,1 1 10 100 1000 10000

s (m

m)

log t (min)

CC1 CC2



CC1

ω (%) = 14,05

ρ (Mg/m3) = 2,07

e0 = 0,415

CC2

ω (%) = 14,40

ρ (Mg/m3) = 2,09

e0 = 0,409

Figura 58 – Curvas s - log t, dos ensaios CC1 e CC2 (patamar de carga de 236,26 kPa)

Com base nas curvas de s – log t, obtidas no segundo patamar (Figura 58), observa-se uma

dispersão de resultados muito superior à verificada em ensaios edométricos. Na curva s – log t

do ensaio CC1 verifica-se um comportamento distinto daquele que seria de esperar de uma

curva teórica, pois a parte inicial parabólica não existe, devido à existência de um grande ajuste

inicial. Já nos resultados obtidos através da realização do ensaio CC2 observa-se uma parte

inicial da curva mais de acordo com o que seria de esperar.

Para um maior rigor da análise dos resultados, determinou-se o valor do assentamento e do

tempo no final do processo de consolidação primária (i.e., s100 e t100), através da construção de

Casagrande e de Taylor. Os resultados obtidos encontram-se na Figura 59.

a) b)

Figura 59 – a) s100, para os ensaios CC1 e CC2; b) t100, para os ensaios CC1 e CC2

0,00

0,20

0,40

0,60

0,1 1 10 100 1000 10000s

(mm

)

log(t) (min)

CC1 CC2

40,793

51,531

8,294

16,322

,

10,

20,

30,

40,

50,

60,

CC1 CC2

t 10

0(m

in)

Casagrande Taylor

0,520

0,3120,328

0,165

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

CC1 CC2

s 10

0(

mm

)

Casagrande Taylor


Eduardo Mendes 81

Da análise da Figura 59a, verifica-se que o assentamento no final da consolidação primária

resultante do ensaio CC1 é bastante superior ao verificado no ensaio CC2, na ordem do dobro,

em ambas as construções. Esta dispersão poderá ser justificada pelo fato de no primeiro ensaio

as reentrâncias da pedra porosa de topo fazerem deformar a superfície do provete em contacto

com esta, ao longo do tempo, como se pode observar na Figura 60. Já no segundo ensaio com

a utilização de uma pedra porosa lisa no topo registou-se um menor assentamento.

Ainda em relação à Figura 59a é possível dizer que o método de Casagrande apresenta, mais

uma vez, valores superiores quando comparado com o de Taylor.

Quanto aos resultados obtidos na Figura 59b, em termos de tempo necessário para o fim da

consolidação primária, pelo método de Casagrande, verifica-se que entre os dois ensaios

realizados não houve grande discrepância de resultados, o que pelo contrário se sucedeu nos

resultados obtidos pelo método de Taylor. Esta discrepância é mais uma vez justificada pela

dificuldade da definição do ramo linear pelo método de Taylor, pois nestes ensaios os instantes

iniciais foram muitos perturbados pelos ajustes.

Figura 60 – Superfície do provete após a realização do ensaio CC1

Como não é possível realizar uma comparação direta dos resultados provenientes de ensaios

realizados na caixa de corte com os realizados no edómetro, pois a altura do provete é diferente,

utilizou-se a relação (34) para se proceder à comparação do tempo de consolidação. Sabendo-

se que o valor do fator de tempo (Tv) é o mesmo nos dois ensaios, pois ambos apresentam o

mesmo grau de consolidação (Uv), tem-se que:



cV×tA

HA2

= cV×tB

HB2

(34)

Em que,

A e B representam ensaios realizados com provetes de diferentes alturas.

Como cv não depende do tipo de ensaio concluiu-se que a seguinte relação deve ser verificada

entre os resultados dos diferentes tipos de ensaios:

tA

tB=

HA2

HB2 (35)

Na Figura 61, encontram-se os resultados obtidos da relação anteriormente definida,

comparando os tempos de consolidação dos ensaios CC1 e CC2, com o obtido no ensaio

edométrico de referência E1, pelo método de Casagrande e pelo método de Taylor.

a) Casagrande b) Taylor

Figura 61 – Comparação dos tempos de consolidação entre os ensaios realizados na caixa de

corte com o ensaio de referência E1

Observando os resultados obtidos na Figura 61a, constata-se que o tempo de consolidação na

caixa de corte para o ensaio CC1, foi ligeiramente inferior ao do edómetro (i.e., E1). Com a

realização do ensaio CC2 verifica-se uma melhoria no tempo de consolidação obtido, uma vez

que este é muito próximo ao do edómetro, demonstrando uma grande eficiência em termos do

processo de consolidação da caixa de corte.

17,456

21,86522,055 22,055

0,0 00

5,0 00

10, 000

15, 000

20, 000

25, 000

E1-CC1 E1-CC2

t 10

0 (m

in)

thomoge t100thom.CC tE1

3,549

6,925

16,330 16,330

0,0 00

2,0 00

4,0 00

6,0 00

8,0 00

10, 000

12, 000

14, 000

16, 000

18, 000

E1-CC1 E1-CC2

t 10

0(m

in)

thomoge t100 thom.

CC tE1


Eduardo Mendes 83

Já analisando a Figura 61b, pelo método de Taylor, constata-se que os tempos de consolidação

obtidos na caixa de corte, para os ensaios CC1 e CC2, estão muito abaixo do tempo obtido para

o ensaio de referência E1.

Concluindo, com a realização deste estudo constatou-se que, para o solo considerado, o

processo de consolidação da caixa de corte do LEST pode apresentar um comportamento mais

eficiente com a colocação da pedra porosa lisa no topo, e que para este equipamento é

aconselhável realizar a análise de resultados a partir do método de Casagrande, devido ao

grande ajuste inicial nos resultados obtidos neste equipamento.

4.4 Comparação entre o Edómetro e a Célula de Rowe

Após a realização de ensaios de consolidação na célula de Rowe e no edómetro torna-se

vantajosa a comparação dos resultados, das técnicas e procedimentos necessários à sua

execução.

Começando pela preparação dos provetes de cada equipamento, verificou-se que a preparação

dos provetes é realizada de forma similar, mas no concerne aos procedimentos a realizar antes

de cada ensaio verifica-se uma maior complexidade na preparação da célula de Rowe, uma vez

que antes de cada ensaio é necessário retirar-se todo o ar existente no seu interior, para que se

possam obter boas leituras das pressões intersticiais.

Por outro lado, quando se pretende estudar a consolidação, a célula de Rowe possui 2 grandes

vantagens em relação ao edómetro. O tamanho do provete, que possibilita que as principais

limitações associadas ao edómetro sejam menos evidentes e a possibilidade do controlo da

pressão intersticial ao longo do ensaio.

Comparando agora, os resultados obtidos pelos dois ensaios em termos de tempo de

consolidação e de assentamento final, e uma vez que estes não podem ser comparados

diretamente, utilizou-se, mais uma vez, a relação 35 para se proceder à sua comparação em

termos do tempo de consolidação, e a relação 36 para se comparar em termos de assentamento

final:



sA

sB=

𝐻totalA

𝐻totalB (36)

Os resultados obtidos encontram-se na Figura 62.

a) E1- CR5 (tempo de consolidação) b) E1-CR5 (assentamento final)

Figura 62 – Comparação do tempo de consolidação e assentamento final entre os ensaios E1 e

CR5

Analisando os resultados obtidos em termos de tempo de consolidação (Figura 62a), verifica-

se que o tempo de consolidação obtido no ensaio na célula de Rowe é superior ao obtido no

ensaio edométrico de referência. Verifica-se ainda que, a discrepância do tempo de

consolidação é superior quando se analisam os resultados pelo método de Taylor. Com isto,

conclui-se que, o tempo previstos para o final da consolidação primária, através da realização

de ensaios de consolidação na célula, são superiores quando comparados com o do edómetro,

para este caso de estudo.

No que concerne à analise comparativa dos assentamentos finais entre os dois equipamentos

(Figura 62b), verifica-se que os assentamentos previstos na célula de Rowe são muito superiores

(i.e., aproximadamente 4 vez mais que no edómetro) aos obtidos no edómetro, quer pelo método

de Casagrande, quer pelo método de Taylor. Este fato, pode ser justificado pelo efeito do atrito

lateral ser mais acentuado no edómetro, o que faz com que a carga aplicada não seja totalmente

transmitida ao provete, tal como o que foi concluído por Biswas (1993).

29,503

33,585

22,055

16,330

0,0 00

5,0 00

10, 000

15, 000

20, 000

25, 000

30, 000

35, 000

40, 000

Casagrande Taylor

t 10

0(m

in)

thomoCR5 Te1thom.

CR5 tE1

s

hom.CR5

sE1

1,2481,205

0,3510,272

0,0 00

0,2 00

0,4 00

0,6 00

0,8 00

1,0 00

1,2 00

1,4 00

Casagrande Taylors 1

00

(mm

)

shomocr5 se1 s

hom.CR5

sE1


Eduardo Mendes 85

Concluindo, para este caso de estudo, e para o solo considerado, verificou-se que os resultados

obtidos pela célula de Rowe comparativamente aos obtidos em ensaios edométricos realizados

nas mesmas condições, preveem um maior assentamento final e num período de tempo

ligeiramente superior àquele que se verifica no edómetro.

Conclusão

Eduardo Mendes 87

CONCLUSÃO

5.1 Considerações gerais

Com a realização desta dissertação, em que se pretendeu 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), por forma a serem melhoradas as boas práticas laboratoriais

neste tipo de ensaios, tornou-se possível retirar as conclusões que se seguem.

A necessidade do controlo do índice de vazios do teor em água e do peso volúmico com 3 casas

decimais é fundamental para se poderem comparar resultados de consolidação de forma

rigorosa.

No caso particular do edómetro, concluiu-se que os resultados finais obtidos são influenciados

pelo modo como se realiza laboratorialmente os ensaios, nomeadamente no que diz respeito ao

destravamento do braço e à regularização da superfície do provete.

Relativamente ao estudo efetuado sobre a influência da magnitude do incremento de carga

concluiu-se que, no solo considerado, e para o incremento adotado, não se verificou influência

deste parâmetro nos resultados em termos de assentamento final, podendo-se concluir que, no

caso de solos em que a consolidação secundária não é relevante, não parece necessária a

realização de um ensaio por vários patamares para se atingir um patamar final, uma vez que

nestas condições, apenas um patamar de carga levaria a um assentamento idêntico. Tal será

necessário quando se ultrapasse a tensão de pré-consolidação.

No estudo efetuado sobre a influência do grau de saturação inicial do provete concluiu-se que

utilizando um provete não saturado antes da realização de um ensaio edométrico se obtêm

características de consolidação, em termos de assentamento, tempo, coeficiente de consolidação

vertical e permeabilidade diferentes das que se obteriam se o provete fosse saturado

inicialmente, e como tal, é necessário garantir a saturação do provete antes do ensaio, não

comprometendo, desta forma, os resultados obtidos.



Relativamente à possibilidade de existência de drenagem radial, no edómetro, constatou-se que,

para o solo considerado, não existiu drenagem radial, desde que os resultados sejam analisados

pelo método de Casagrande.

Ainda relativamente aos resultados obtidos a partir de ensaios edométricos, pareceu ser mais

vantajosa a utilização do método de Casagrande em detrimento do método de Taylor para a

determinação das características de consolidação do solo. A dificuldade na definição do ramo

linear, pelo de Taylor, para o solo considerado foi de difícil determinação, resultando num

menor rigor nos resultados.

No que concerne à célula de Rowe concluiu-se que, quando o ensaio é devidamente realizado,

a possibilidade da leitura das pressões intersticiais é vantajosa pois permite saber em que

instante o excesso de pressão intersticial deixa de existir. Também se concluiu que, os

resultados obtidos por este equipamento, são de maior qualidade quando comparados aos

obtidos pelo edómetro, sendo possível obter resultados idênticos do coeficiente de consolidação

vertical, quer pelo método de Casagrande, quer pelo método de Taylor, tal é a sua qualidade.

Neste estudo verificou-se que o nível de assentamento obtido na célula, nas mesmas condições

que no edómetro, é muito superior ao do edómetro.

Por último e relativamente aos ensaios de consolidação realizados na caixa de corte, constatou-

se que, para o solo considerado, o processo de consolidação da caixa de corte do LEST, pode

apresentar um comportamento mais eficiente com a colocação de uma pedra porosa lisa no

topo, e que para este equipamento é aconselhável realizar a análise de resultados a partir do

método de Casagrande, devido ao grande ajuste inicial obtido neste equipamento.

5.2 Trabalhos futuros

Por forma a poder-se explorar ainda mais ou outras técnicas e procedimentos que podem ser

realizados nos ensaios de consolidação, são sugeridos os seguintes estudos futuros:

a) Alterar o sistema de carregamento de pneumático para hidráulico, permitindo um

processo de saturação mais simples pela utilização de contrapressões elevadas

(superiores a 1000 kPa);

Conclusão

Eduardo Mendes 89

b) Definição dos procedimentos de ensaios não convencionais na célula de Rowe,

nomeadamente dos ensaios de carregamento progressivo;

c) Reanalisar a diferença entre assentamento nos ensaios edométrico e da célula de Rowe;

d) Analisar influência do índice de vazios inicial e propor metodologia para controlo do

índice de vazios inicial;

e) Análise de um solo com forte consolidação secundária.

Referências bibliográficas

Eduardo Mendes 91

REFERÊNCIAS BILIOGRÁFICAS

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Anexos

Eduardo Mendes 97

Anexo A



Determinação das curvas índice de vazios em função do logaritmo da tensão efetiva vertical (e

– log 𝜎v′)

Para se proceder à construção das curvas e - log 𝜎v′ , determinou-se o índice de vazios referente

ao final da consolidação primária, pelo método de Casagrande e pelo método de Taylor, no caso

dos patamares em que existiu consolidação, e o índice de vazios no final de 24 horas de ensaio,

no caso, de curvas em que se obteve expansibilidade.

Para a determinação do índice de vazios final recorreu-se à expressão 37.

ef= (

s*×(1+ei)

hi

) +ei

(37)

Onde:

𝑠∗: assentamento no final da consolidação primária (𝑠100) ou expansão no final de 24 horas de

ensaio (𝑠24h);

ℎi: altura inicial do provete antes da realização do patamar de carga considerado;

𝑒𝑖: índice de vazios inicial do provete antes da realização do patamar de carga considerado.

Para a determinação do valor do assentamento no final da consolidação primária recorreu-se à

construção de Casagrande e de Taylor, de acordo com a norma ASTM (2011a). Nas Figuras 40

e 41 encontram-se exemplificadas as construções de ambos os métodos para o segundo patamar

(i.e., 238,68 kPa) do ensaio E1, tal como apresentado no ponto 2.4.1, da Revisão Bibliográfica.

Figura 63 – Construção Casagrande para a curva s - log t, do segundo patamar de carga do

ensaio E1

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000

s (m

m)

log t (min)

aA

B

a

C

D

𝑠𝐶

𝑠100

E

tA tB t100

Anexos

Eduardo Mendes 99

Figura 64 – Construção de Taylor para a curva s - √𝑡, do segundo patamar de carga do ensaio

E1

Na Tabela 14, encontram-se os valores do índice de vazios no final do primeiro patamar de

carga (i.e, 29,60 kPa) para os ensaios E1, E2 E3 e E4.

Tabela 14 – Índice de vazios no final do primeiro patamar de carga dos ensaios E1, E2, E3 e

E4

Ensaio

Patamar de carga

(kPa) e0 h0 s24h ef

E1

29,600

0,450 19,600 -0,464 0,484

E2 0,443 19,600 -0,631 0,489

E3 0,449 19,600 -0,653 0,497

E4 0,440 19,600 -0,571 0,482

Os resultados do índice de vazios para os restantes patamares de carga, dos 4 ensaios, pelo

método de Casagrande e pelo método de Taylor, encontram-se na Tabela 15 e 16,

respetivamente.

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

s(m

m)

√𝑡 (min)

A

B

C 𝑠90

𝑠0

𝑡90

D

𝑡100

𝑠100



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

Ensaio Patamar de carga

(kPa) ei hi s100 ef

E1 238,680

0,484 20,064 0,351 0,458

E2 0,489 20,231 0,325 0,466

E3 59,200

0,497 20,253 0,051 0,494

E4 0,482 20,171 0,054 0,478

E3 118,330

0,494 20,202 0,156 0,482

E4 0,478 20,117 0,148 0,467

E3 238,680

0,482 20,046 0,235 0,465

E4 0,467 19,969 0,211 0,452

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

Ensaio Patamar de carga

(kPa) ei hi s100 ef

E1 238,680

0,484 20,064 0,272 0,464

E2 0,489 20,231 0,299 0,467

E3 59,200

0,497 20,253 0,0268 0,495

E4 0,482 20,171 0,0239 0,480

E3 118,330

0,495 20,226 0,0924 0,488

E4 0,480 20,147 0,0847 0,474

E3 238,680

0,488 20,134 0,153 0,477

E4 0,474 20,062 0,142 0,464

Seguidamente são apresentadas as Tabelas 17 e 18, que permitiram a construção das curvas e –

log 𝜎v′ da Figura 39.

Tabela 17 – Dados para a construção da curva e – log 𝜎v′ pelo método de Casagrande

Patamar de carga (kPa) E1 E2 E3 E4

29,6 0,484 0,489 0,497 0,482

59,2 - - 0,494 0,478

118,33 - - 0,482 0,467

238,68 0,458 0,466 0,465 0,452

Anexos

Eduardo Mendes 101

Tabela 18 – Dados para a construção da curva e – log 𝜎v′ pelo método de Taylor

Patamar de carga (kPa) E1 E2 E3 E4

29,6 0,484 0,489 0,497 0,482

59,2 - - 0,495 0,480

118,33 - - 0,488 0,474

238,68 0,464 0,467 0,477 0,464

Anexos

Eduardo Mendes 103

Anexo B



Determinação do coeficiente de consolidação vertical (cv) e da permeabilidade (k)

Para a determinação do coeficiente de consolidação vertical através do método de Casagrande

e de Taylor recorreu-se às expressões 23 e 24, respetivamente. Nas tabelas 19 e 20 encontram-

se resumidos os valores de cv obtidos para ambos os métodos, para o patamar de carga

considerado.


(i.e., 238,68 kPa), dos ensaios E1, E2, E5 e E6, pelo método de Casagrande

Ensaio t50 (s) Tv H (mm) cv (mm2/s)

E1 94,080

0,196

10,032 0,210

E2 101,100 10,116 0,198

E5 44,160 10,235 0,465

E6 51,300 10,195 0,397


(i.e., 238,68 kPa), dos ensaios E1, E2, E5 e E6, pelo método de Taylor

Ensaio t90 (s) Tv H (mm) cv (mm2/s)

E1 184,80

0,848

10,032 0,462

E2 190,740 10,116 0,455

E5 118,560 10,235 0,749

E6 117,360 10,195 0,751

Para a determinação da permeabilidade (k) do solo, para este patamar de carga, recorreu-se à

expressão 30. Como tal, foi necessário calcular o coeficiente de compressibilidade volumétrico

(mv), através da expressão 26, e por sua vez o coeficiente de compressibilidade (av), através da

expressão 25.

Para se obter o parâmetro av começou-se por se representar a curva e – 𝜎v′, de cada ensaio,

recorrendo aos valores de índice de vazios, no inicio e final desse patamar, calculados pelo

método de Casagrande e de Taylor. De cada curva obtida retirou-se o seu declive, sendo este o

valor do parâmetro av (Figura 65 e 66).

Anexos

Eduardo Mendes 105

E1

av (1/MPa)

=0,1242

E2

av (1/MPa)

=0,1144

E5

av (1/MPa)

=0,1981

E6

av (1/MPa)

=0,2203


coeficiente de compressibilidade volumétrico (Método de Casagrande)

E1

av (1/MPa)

=0,0962

E2

av (1/MPa)

=0,1053

E5

av (1/MPa)

=0,1383

E6

av (1/MPa)

=0,1463


coeficiente de compressibilidade volumétrico (Método de Taylor)

Posto isto, na Tabela 21 e 22 encontram-se sintetizados os resultados em termos de cv, mv e k

obtidos, para cada método.

0,43

0,45

0,47

0,49

0,51

0,53

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30

e

σ'v (MPa)

E1 E2 E5 E6

0,43

0,45

0,47

0,49

0,51

0,53

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30

e

σ'v (MPa)

E1 E2 E5 E6



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

Ensaio cv (mm2/s) av (1/MPa) mv (1/MPa) ϒw (kN/m3) k ×10-8 (cm/s)

E1 0,210 0,1242 0,0837 9,810 1,721

E2 0,198 0,1144 0,0768 9,810 1,495

E5 0,465 0,1981 0,1304 9,810 5,946

E6 0,397 0,2203 0,1480 9,810 5,765

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

Ensaio cv (mm2/s) av (1/MPa) mv (1/MPa) ϒw (kN/m3) k ×10-8 (cm/s)

E1 0,150 0,0962 0,0648 9,810 0,953

E2 0,1431 0,1053 0,0707 9,810 0,992

E5 0,364 0,1383 0,0910 9,810 3,385

E6 0,383 0,1463 0,0983 9,810 3,701

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