calibração em ar e determinação do k0 em laboratório

CALIBRAÇÃO EM AR E DETERMINAÇÃO DO K0 EM
LABORATÓRIO ATRAVÉS DE CÉLULAS DE TENSÃO
TOTAL
Rafael Tímbola
Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo - RS, Brasil, [email protected]
Maciel Donato
Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo - RS, Brasil, [email protected]
Francisco Rossatto
Universidade de Passo, Passo Fundo - RS, Brasil, [email protected]
Antonio Thomé
Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo - RS, Brasil, thomé@upf.br
Pedro Domingos Marques Prietto
Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo - RS, Brasil, [email protected]
RESUMO: Células de tensão total são utilizadas em obras de engenharia, e motivo de diversos
temas de pesquisas a nível mundial e nacional. As células, por serem constituídas de material com
rigidez diferente do meio inserido, podem causar redistribuição de tensões em seu entorno,
tornando-se necessário sua calibração prévia. O objetivo deste trabalho foi avaliar a calibração
referenciada pelo fabricante e estimar o valor de K0 para um Latossolo residual. Para isso,
utilizando uma câmara de calibração, aplicou-se ar comprimido até um total de 400 kPa. Avaliou-se
a linearidade das leituras dos sensores, possíveis defeitos de fabricação e a calibração em fluido
dada pelo fabricante. Após, a calibração se deu em solo úmido, com compactação e umidade
natural. Os sensores apresentaram constantes de calibração em ar superiores àquelas dadas pelo
fabricante. Com solo úmido, o valor de K0 ficou próximo a 1, revelando um comportamento
peculiar ao solo, análogo a água.
PALAVRAS-CHAVE: Calibração em Laboratório, Determinação do K0, Células de Tensão Total.
1
INTRODUÇÃO
A distribuição de pressões no interior de
camadas de solo e no contato entre diferentes
estruturas vem sendo amplamente estudada com
a utilização de células de tensão total. Estas por
serem constituídas de material com rigidez
diferente do meio onde são inseridas causam
uma redistribuição de pressões no seu entorno
justificando, assim, intensos estudos e análises
detalhadas, principalmente quanto à calibração
destes sensores.
Células de pressão, também conhecidas
como células de tensão total, são utilizadas em
diversas obras da engenharia, como aterros
sanitários, galerias de drenagens, túneis, minas,
estacas, fundações superficiais, muros de
arrimo, silos e são motivos de diversos temas de
pesquisas a nível mundial e nacional.
Não apenas na área de engenharia as células
de pressão são empregadas para a determinação
da tensão atuante em um determinado local,
mas também na agricultura para determinar a
compactação dos solos por máquinas agrícolas.
Segundo Bailey et al. (1988), uma compactação
excessiva pode causar efeitos indesejáveis
como a diminuição da infiltração de água,
restrição quanto ao crescimento da raiz e
aumento do escoamento superficial, levando à
redução no rendimento da colheita e ao
aumento na erosão do solo.
Medidas de tensões totais em solos sempre
caem em duas categorias básicas: medidas
dentro da massa de solo e medidas na face do
elemento estrutural (Dunnicliff, 1988; USACE,
1995). As células de tensão para medidas
internas são instaladas dentro de aterros, por
exemplo, para determinar a distribuição,
magnitude e direção da tensão total. As células
para medidas no contato são utilizadas para
medidas de tensão total contra muros de arrimo,
galerias de drenagem, estacas e sob fundações
superficiais (Dunnicliff, 1988).
Clayton e Bica (1993) utilizaram uma
câmara de aço para calibrar em solo células de
contato. A câmara possuía uma placa na qual a
célula era inserida e ficava nivelada com a
superfície desta placa. O corpo-de-prova era
circular com 25,2 cm de diâmetro e 4,2 cm de
altura. O diâmetro da célula era de 2,4 cm. A
aplicação de carga era realizada através de água
que transmitia a pressão a uma membrana de
borracha.
A rigidez da célula tem um papel importante
na interpretação das medidas de tensão normal
no contato entre o solo e a estrutura. A maneira
comum de calibrar estas células é a aplicação de
pressão na sua face ativa. Estes resultados são
freqüentemente usados para interpretar medidas
de tensão normal no contato entre o solo e a
estrutura. No entanto, este procedimento pode
causar erros na estimativa da tensão normal. O
deslocamento interno da face ativa da célula
altera a distribuição de tensões no solo, em
especial nas suas proximidades. O valor da
tensão normal que a célula mede é então
diferente do valor que o solo deveria aplicar ao
elemento estrutural na ausência da célula.
Quanto maior esse deslocamento interno, maior
é a redistribuição de tensões nas suas
proximidades, e conseqüentemente, maiores são
os erros de medida (Clayton e Bica, 1993).
Segundo Pinto (2000) a tensão normal no
plano vertical depende da constituição do solo e
do histórico de tensões a que ele esteve
submetido anteriormente. Normalmente ele é
referido à tensão vertical, sendo a relação entre
tensão horizontal efetiva e a tensão vertical
efetiva denominada coeficiente de empuxo em
repouso e indicada pelo símbolo K0.
A tensão vertical num plano horizontal
aumenta de um valor igual ao produto do peso
específico pela espessura da camada. As
tensões horizontais também aumentam, mas não
no mesmo valor, em virtude do atrito entre as
partículas. O valor de K0 é menor do que a
unidade situando-se entre 0,4 a 0,5 para areias e
0,5 a 0,7 para argilas (Pinto, 2000).
O objetivo do trabalho foi avaliar a
calibração em fluido das células, dada como
referência pelo fabricante, aplicando pressão de
ar no interior da câmara. Utilizando solo no
interior da câmara, objetivou-se ainda a
estimação do valor de K0. A pesquisa foi
realizada em laboratório, e o solo utilizado foi
um Latossolo Vermelho distrófico típico
(unidade Passo Fundo), segundo Streck et al.
(2002) para obtenção do K0. As células foram
calibradas em uma câmara de aço. Na
determinação do K0, as tensões foram
distribuídas uniformemente pelo solo através de
uma membrana de borracha. As variáveis de
estudo foram as pressões aplicadas como
variável independente e o ganho das células
como variável dependente.
2
MATERIAIS E MÉTODOS
2.1
Materiais
2.1.1 Solo
O solo utilizado neste trabalho, segundo Streck
et al. (2002) é um Latossolo Vermelho
distrófico típico (unidade Passo Fundo) extraído
do campo experimental de geotecnia - CETEC
da Universidade de Passo Fundo. A
caracterização físico-químico é apresentada na
Tabela 1.
Tabela 1. Caracterização físico-química do solo em
estudo.
Parâmetro
Argila (%)
Silte (%)
Areia (%)
Limite de Liquidez (%)
Limite de Plasticidade (%)
Índice de Plasticidade
Peso específico real dos grãos (kN/m³)
Umidade Natural (%)
Peso específico natural (kN/m³)
Índice de Vazios
Grau de Saturação (%)
Porosidade (%)
pH
Matéria Orgânica
CTC
Permeabilidade (m/s)
Valor
68
5
27
53
42
11
26,7
34
16,3
1,19
75,7
54
5,4
<0,8
8,6 cmolc/dm³
1,39.10-5
Fonte: Girardello et al, 2007.
2.1.2 Células de pressão
Duas células de tensão total do tipo interna
(Figura 1), da marca Kyowa, foram utilizadas.
A Tabela 2 apresenta algumas características
das células utilizadas, dadas pelo fabricante.
Estas células foram escolhidas por serem
hidráulicas, pois quando comparadas às de
diafragma, apresentam um deslocamento
interno da sua face ativa menor e que segundo
Clayton & Bica (1993), quanto menor esse
deslocamento
interno,
menor
será
a
redistribuição
de
tensões
nas
suas
proximidades, e conseqüentemente, menores
serão os erros de medida.
Tabela 2. Características da célula de contato.
Constante Núm.
Imagem Dimens
.
(cm)
das
Nome
/
Ganho de calibr.
(DxE)
(kPa/Vol)
células
Tipo
BE10
KC
6102
BE10
KC
6304
interna
interna
3 x 0,65
1000
1369,86
10
3 x 0,65
1000
1388,88
11
2.1.3 Câmara de Calibração
A câmara deve ser pelo menos três vezes
(preferencialmente cinco vezes) maior do que o
diâmetro da célula (Dunnicliff, 1988).
A câmara de calibração utilizada neste
trabalho foi a projetada por Gonçalves (2003),
que reproduz de maneira eficiente às condições
nas quais as células de pressão se encontrariam
em campo. A câmara, construída em aço, de
forma circular, com 50 cm de diâmetro e 40 cm
de profundidade, com fator de forma igual a 0,8
utilizando ar comprimido para aplicação da
sobrecarga. A representação esquemática do
equipamento é apresentada na Figura 2.
Figura 2. Câmara de Calibração.
Figura 1. Célula de contato.
A câmara permitiu aplicação de carga
através de ar comprimido transmitido ao solo
por uma membrana de borracha (Figura 3),
garantindo a distribuição uniforme de pressão,
simulando a sobre-carga na superfície do solo.
Inseridos na câmara estão um manômetro
acoplado a um controlador de pressão e uma
válvula de alívio com capacidade de 700 kPa,
como pode ser visto na figura 4, que apresenta a
visão geral do equipamento. A Figura 5
apresenta a disposição das células dentro da
câmara que simulou a tensão vertical na célula
10 e a tensão horizontal na célula 11.
2.2
Métodos
A calibração das células de tensão total foram
divididas em duas etapas.
2.2.1 Calibração em ar
A primeira etapa da calibração das células de
tensão total foi a de calibração em ar, a qual
permitiu avaliar a linearidade das leituras dos
sensores, possíveis defeitos de fabricação e
também a calibração em fluido dada pelo
fabricante.
Figura 3. Detalhe da membrana de borracha.
Figura 5. Disposição das células no interior da câmara.
Os incrementos de pressão no interior da
câmara foram de 50 kPa até um máximo de 400
Kpa respeitando o tempo entre os incrementos
para leitura do Data Logger.
2.2.2 Calibração em solo úmido
Figura 4. Vista geral da câmara de calibração.
A segunda etapa dos estudos de calibração foi
realizada utilizando solo úmido. A intenção foi
simular a condição natural obtida a campo. Para
isso, a umidade natural do solo, que estava em
torno de 28,7%, foi corrigida.
Após, as células foram sendo dispostas e o
solo colocado em volta para que as células se
mantivessem no devido lugar.
Compactou-se o solo, a fim de obter
compactação natural. Para isso, o solo foi
dividido
em
camadas
facilitando
a
compactação. As camadas tinham 5 cm de
altura. Foram feitas 8 camadas. As camadas
continham 6517,6g de solo seco e 1870,5g de
água.
Os incrementos de pressão foram os mesmos
para calibração em ar, ou seja, 50 kPa até um
máximo
de
400
kPa,
distribuídos
uniformemente através da membrana de
borracha.
Em consequência da distribuição das células
dentro da área útil, foi possível determinar o
valor de K0 para calibração com solo úmido.
Determinou-se utilizando o valor da inclinação
da reta da equação de regressão das tensões
lidas na célula 11 relacionada à célula 10.
Leitura em kPa
400
350
RESULTADOS E DISCUSSÕES
3.1 Calibração em ar
Os sensores apresentaram constantes de
calibração superiores àquelas dadas pelo
fabricante. Isto provavelmente está associado a
pequenas diferenças de voltagem na
alimentação fornecida pela placa de aquisição
de dados utilizada e aquela a qual o sensor foi
calibrado pelo fabricante, juntamente com
possíveis diferenças do ganho de sinal para
leitura da voltagem de saída de cada sensor.
A Tabela 3 apresenta as constantes de
calibração das células obtidas em laboratório e
também as constantes dadas pelo fabricante.
Tabela 3. Constantes de calibração.
Nome
Tipo
Excitação
Constante de
Constante
nominal
calibração
de
(Volt) obtido(kPa/Volt) calibração
dada pelo
fabricante
(kPa/Volt)
BE10KC interna
6102
2,5
1373,36
1369,86
BE10KC interna
6304
2,5
1396,44
1388,88
3.2
Calibração em solo úmido
Os incrementos de pressão para calibração em
solo úmido se deram da mesma forma que para
calibração em ar. Os resultados estão
apresentados na Figura 6.
Para o experimento realizado com inserção
de solo na câmara, obteve-se o K0. O valor foi
obtido fazendo-se a relação entre tensão
horizontal e tensão vertical denominada
coeficiente de empuxo em repouso indicado
pelo símbolo K0 (Pinto, 2000).
Pressão medida (kPa)
3
BE10KC 6102 (kPa)
300
y = 0,9606x - 20,2
R2 = 0,9935
BE10KC 6304 (kPa)
250
200
y = 0,9457x - 23,014
2
R = 0,9927
150
100
50
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Pressão aplicada (kPa)
Figura 6. Correlação entre pressão aplicada e pressão
medida.
O coeficiente de Empuxo para o solo em
estudo foi de 0,984 aproximando-se a unidade.
4
CONCLUSÕES
O valor do K0 mostra a distribuição das tensões
no interior da câmara, ou seja, a maior parte da
pressão aplicada foi lida pelas células de
pressão, pois o solo transmitiu as tensões
através do atrito entre as partículas.
As células utilizadas foram muito bem
projetadas, assim como a câmara de calibração,
minimizando erros nos resultados.
O solo teve comportamento análogo à água,
sendo as tensões distribuídas quase que
uniformemente no interior do solo, pois o
coeficiente de empuxo apresentou-se próximo a
1.
AGRADECIMENTOS
A Universidade de Passo Fundo, pela bolsa de
iniciação científica concedida ao primeiro autor.
REFERÊNCIAS
Bailey, A.C.; Nichols, T.A.; Johnson, C.E. Soil stress
state determination under wheel loads. Transactions
of the American Society of Agricultural Engineers, v.
31, n. 5, p.1309-1314, 1988.
Dunnicliff, J. Geotechnical Instrumentation for
Monitoring Field Performace. A Wiley-Interscience
Publication. p. 577, 1988.
Clayton, C.R.I.; Bica, A.V.D. The design of diaphragmtype boundary total stress cells. Géotechnique, v. 43,
n. 4, p. 523-535, 1993.
Taylor, D.W. Pressure distribuition theories, earth
pressure cell investigations and pressure distribuition
data. US Army Engineer Waterways Experiment
Station, 1947.
Pinto, C. S. Curso básico de mecânica dos solos em 16
aulas. São Paulo: Oficina de Textos, 247p., 2000.
Streck, Edmar Valdir. Solos do Rio Grande do Sul. Porto
Alegre: EMATER, 2002. 107 p.
Girardello, V. et al. Comparação das técnicas de
atenuação natural, bioaumentação e bioventing para
avaliar biodegradação de um solo contaminado com
biodiesel. In: CONGRESSO REGIONAL DE
INICIAÇÃO CIENTÍFICA E TECNOLÓGICA EM
ENGENHARIA E VII FEIRA DE PROTÓTIPOS,
22. 2007, Passo Fundo. Anais... Passo Fundo : UPF,
2007.
Gonçalves, F.P.; Ceratti, J.A.P.; Bica, A.V.D. The use of
embedded stress cells for monitoring pavement
performance. Geotechnical Testing Journal. ASTM,
v.26, n.4, p.363-372, 2003.