5. Sosiale tjenester
5.7 Kvalifiseringsprogrammet
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).
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
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 efetivavertical 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.
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
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)
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.
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.