Desenvolvimento de modelos físicos de fenômenos geotécnicos para o ensino de Geotecnia

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XIX Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica 
Geotecnia e Desenvolvimento Urbano 
COBRAMSEG 2018 – 28 de Agosto a 01 de Setembro, Salvador, Bahia, Brasil 
©ABMS, 2018 
 
Desenvolvimento de modelos físicos de fenômenos geotécnicos 
para o ensino de Geotecnia 
 
Natália de Souza Correia 
Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), ncorreia@ufscar.com 
 
Fernando Henrique Martins Portelinha 
Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), fportelinha@ufscar.br 
 
Leonardo Vinícius Paixão Daciolo 
Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), leonardodaciolo@hotmail.com 
 
José Wilson Batista da Silva 
Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), josewilsonbatistadasilva@gmail.com 
 
 
RESUMO: O ensino de Geotecnia abrange desde a identificação e caracterização de solos e rochas 
até os principais conceitos, mecanismos e fenômenos fisicos envolvidos na engenharia geotécnica. 
No entanto, a compreensão de alguns mecanismos e fenômenos geotécnicos, bem como o 
comportamento dos materiais, pode ser solidificada ou melhor experienciada com o uso de simples 
modelos físicos de laboratório. Esse conceito de ensino é baseado na teoria da aprendizagem 
experiencial, trazendo maior benefício de aprendizagem para os alunos. Para tanto, foram 
desenvolvidos na Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) no curso de Engenharia Civil, 
modelos físicos para a explicação de fenômenos geotécnicos, tais como: fenômeno de fluxo de água 
nos solos em meio confinado e não confinado, fenômeno da ascensão capilar, fenômeno da liquefação 
dos solos e modelos para visualização do mecanismo de ruptura de taludes e modelo de estrutura de 
solo reforçado com geossintéticos. Os modelos físicos desenvolvidos foram de simples execução e 
baixo custo, além de aparatos existentes LabGeo/UFSCar. Neste artigo, serão apresentados os 
procedimentos para a criação dos modelos físicos realizados pelos alunos durante as aulas. Esta 
prática tornou as aulas muito mais dinâmicas e interessantes, motivando os alunos. Ainda, esta 
experiência didática e pedagógica para o ensino de Geotecnia foi também motivadora para os 
professores. O material final está sendo utilizado para a produção de vídeos educativos sobre os 
fenômenos geotécnicos. 
 
 
PALAVRAS-CHAVE: Ensino em Geotecnia, Modelos físicos de laboratório, Fenômenos 
Geotécnicos. 
 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
 No ensino curricular de Geotecnia dos cursos 
de graduação em Engenharia Civil, usualmente 
são primeiramente introduzidos os conceitos de 
investigação e propriedades índices dos solos, 
compactação, tensões, hidráulica dos solos, 
adensamento e resistência, bem como 
determinação das propriedades geotécnicas dos 
solos. Posteriomente, são apresentados conceitos 
mais aprofundados de estabilidade de taludes, 
teoria de empuxo, contenções, barragens e 
fundações. De acordo Shiau et al (2006), a 
transição da geomecânica básica para as análises 
de estruturas geotécnicas mais complexas pode 
ser um grande desafio para os alunos, e neste 
estágio, o uso de modelos físicos torna-se um 
importante auxílio para o processo de 
mailto:ncorreia@ufscar.com
mailto:leonardodaciolo@hotmail.com
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aprendizagem dos conceitos e fenômenos. 
 Atualmente, o Ensino de Geotecnia foi tema 
de importantes conferências, tais como a SFGE 
2012 – “Shaking the Foundations of Geo-
engineering Education” e a SFGE 2016 – 
“Shaping the Future of Geotechnical 
Education”, onde foram discutidas abordagens e 
pedagogias mais eficazes para cursos de 
graduação sobre a engenharia geotécnica. Neste 
sentido, esforços vem sendo realizados por 
docentes para melhorar a qualidade do ensino em 
Geotecnia. 
Para Steenfelt (2000), no ensino de 
graduação, o uso de modelos físicos mostra-se 
muito instrutivo e ajuda na compreensão dos 
princípios fundamentais da engenharia 
geotécnica. 
 Modelos físicos podem ser construídos com o 
uso de centrífugas, tal como nos trabalhos de 
Wartman et al. (2006), porém, podem ser de alto 
custo. O uso de modelos físicos de baixo custo 
para o ensino em Geotecnia é apresentado nos 
trabalhos de Cardoso et al. (2004), Shiau et al. 
(2006), Santana e Lamas (2009), Cardoso 
(2009), Jaksa (2009) e Jaksa et al. (2016). Os 
experimentos incluem desde demonstração de 
estimativas de ângulo de atrito do solo ao 
fenômeno da liquefação sísmica. 
 Neste trabalho, serão apresentados os 
modelos físicos referentes aos fenômeno de 
fluxo de água nos solos (meio confinado e não 
confinado), fenômeno da ascensão capilar nos 
solos, fenômeno da liquefação dos solos, modelo 
de visualização de ruptura de taludes e modelo 
de estrutura de solo reforçado com geossintéticos 
desenvolvidos na Universidade Federal de São 
Carlos (UFSCar). 
 
2 MODELOS FÍSICOS 
 
2.1 FENÔMENO DE FLUXO DE ÁGUA NOS 
SOLOS 
 
 O estudo do fluxo bidimensional de água nos 
solos é uma importante parte da disciplina de 
Mecânica dos Solos. No entanto, usualmente, os 
alunos apenas representam estas redes de fluxo 
graficamente em sala de aula. 
 Para a execução do modelo de fluxo em meio 
confinado, foi necessária uma caixa de acrílico 
de 55,5 x 39 x 14,5 cm (C x H x L), uma seringa, 
um corante (tinta preta de impressão) e solo 
arenoso. O paramento foi feito com placa de 
acrílico de 20,5 x 14,5 cm, e a vedação feita com 
silicone. A Figura 1 apresenta o modelo físico de 
fluxo de água em meio confinado. Para a 
compactação da areia, foi realizado o processo 
de chuva de areia. Após a saturação e escolha dos 
níveis freáticos, iniciou-se a aplicação do 
corante, o qual foi arrastado pelo escoamento 
enquanto ilustrava as linhas de percolação 
(Figura 1a). 
 
 
(a) 
 
(b) 
Figura 1. Modelo físico de fluxo em meio confinado: (a) 
Injeção do corante; (b) Linhas de fluxo. Fonte: Próprios 
autores (2018). 
 
 A Figura 1b apresenta o modelo físico ao final 
do ensaio, o qual durou cerca de 1h30min. Os 
alunos puderam visualizar as linhas de fluxo e 
entender como a água se move para jusante 
Injeção de corante 
Areia 
Paramento 
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através do solo em uma barragem de concreto. 
 Como seguimento desta atividades, os alunos 
realizaram retroanálises usando o processo 
gráfico (manual) e numérico com uso do 
Software Seep/W Student Version (Figura 2). 
Foi possível trabalhar com os alunos essa nova 
abordagem experimental, anteriormente 
apresentada apenas graficamente nas aulas. 
 
 
Figura 2. Modelo numérico de fluxo em meio confinado 
para comparação com modelo físico. Fonte: Próprios 
autores (2018). 
 
A Figura 3 apresenta o modelo físico de 
fluxo em meio não confinado. Foram utilizados 
os mesmos aparatos, com exceção de um filtro 
de pé feito com 20 cm de geotêxtil não tecido e 
brita. Neste caso, foram instalados piezômetros 
(tubos de acrílico) de 4 mm de diâmetro para que 
os alunos pudessem visualizar e medir as cargas 
hidráulicas em cada linha de fluxo. 
 
 
Figura 3. Modelo físico de fluxo de água nos solos em 
meio não confinado. Fonte: Próprios autores (2018). 
2.2 FENÔMENO DA ASCENSÃO CAPILAR 
 
 Para a demonstração do fenômeno da 
ascensão capilar nos solos, foi construído um 
modelo físico em laboratório com a intensão da 
verificação, pelos alunos, da magnitude e tempo 
da ascensão da água por capilaridade em 
diferentes tipos de solos. Para o modelo (Figura 
4), foi utilizada uma bandeja preenchidas com 
água e areia de construção civil, exercendo a 
função de filtro e, também, para fornecer um 
suporte permeável para os tubos acrílicos.Os 
solos foram compactados no interior de tubos de 
acrílico de diâmetros internos de 14mm (solos 
finos e areias) e 19mm (pedregulho). Foram 
visualizados o fenômeno de ascensão por 
capilaridade para os solos da Tabela 1. 
 
 
Figura 4. Modelo físico de capilaridade: (1) pedregulho; 
(2) areia grossa; (3) areia média; (4) areia argilosa; (5) 
areia de RCD; (6) areia fina; (7) silte; (8) argila. Fonte: 
Próprios autores (2018). 
 
Tabela 1. Diâmetro das partículas dos solos utilizados. 
# Tipo de Solo Diâmetro (mm) 
1 Pedregulho 2,38 < D < 4,76 
2 Areia Grossa 1,19 < D < 2,38 
3 Areia Média 0,30 < D < 0,60 
4 Areia Argilosa Local 0,002 < D < 1,00 
5 Areia de RCD 0,10 < D < 4,00 
6 Areia Fina D < 0,60 
7 Silte D < 0,30 
8 Argila D < 0,15 
 
 Através deste modelo, foi possível mostrar 
aos alunos a diferença de ascensão capilar entre 
solos granulares e finos, promovendo maior 
entendimento do tema. 
Tubos de acrílico 
(piezômetros) 
Filtro de pé 
1 2 3 4 5 6 7 8 
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2.3 FENÔMENO DA LIQUEFAÇÃO NOS 
SOLOS 
 
O fenômeno da liquefação dos solos descreve o 
comportamento de uma significativa redução da 
resistência de solos granulares, na condição não 
drenada, devido à geração de excesso de 
poropressões durante a ocorrência de fenômenos 
sísmicos. 
 Para a demonstração deste fenômeno, foi 
realizado um experimento qualitativo de um 
bloco em solo arenoso saturado. Foram 
utilizados: solo granular, caixa plástica, blocos 
de concreto (sobrecarga), espuma cilíndrica 
enterrada no solo (idealizando um duto 
enterrado) e água. A Figura 5 apresenta a 
montagem do experimento. 
 
 
Figura 5. Modelo físico de liquefação em areia. Fonte: 
Próprios autores (2018). 
 
 A Figura 6 apresenta o modelo físico após os 
movimentos induzidos repetitivos aplicados 
manualmente. Os alunos puderam observar a 
ruptura da areia saturada devido ao excesso de 
poropressões oriundos das movimentações 
induzidas, que resultam na diminuição 
significativa da tensão efetiva do solo, verificada 
pelo afundamento do bloco. O excesso de 
poropressões também possibilitou aos alunos 
visualizarem a emersão do duto, evidenciando o 
possível acúmulo de tensões em dutos enterrados 
reais, e a possibilidade de ruptura destes 
elementos durante a liquefação. 
 
Figura 6. Modelo físico de liquefação em areia após 
sismos: Fonte: Próprios autores (2018). 
 
2.4 MECANISMO DE RUPTURA DE 
TALUDES 
 
Nos cursos de graduação, o tópico de 
estabilidade de taludes é usualmente limitado a 
descrição das causas de instabilização, e 
métodos analíticos de cálculo de fatores de 
segurança com base em superfícies potenciais de 
ruptura (bilinear e circular). Com a falta de 
demonstrações práticas que permitam ao aluno 
visualizar a superfície rotacional e entender as 
formas de ruptura, optou-se pelo 
desenvolvimento de modelos físicos de taludes. 
Para a execução dos modelos, foi utilizada a 
caixa de acrílico, um solo arenoso e pesos brutos. 
A Figura 7 apresenta o modelo desenvolvido. 
Com o auxílio dos pesos brutos, foi possível 
chegar a ruptura do talude, visualizando-se as 
trincas e a superfície de ruptura. 
 
 
Figura 7. Modelo físico de talude levados a ruptura. Fonte: 
Próprios autores (2018). 
Sobrecarga 
Duto 
Enterrado 
Afloramento da água 
Sobrecarga afundando 
Areia 
Duto 
Superfície de ruptura 
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Nesta atividade, os alunos também 
realizaram retroanálises do modelo físico usando 
o processo gráfico e numérico com uso do 
Software Slope/W Student Version (Figura 8). 
 
 
Figura 8. Modelo numérico de talude levado a ruptura para 
comparação com modelo físico. Fonte: Próprios autores 
(2018). 
 
2.5 ESTRUTURA DE SOLO REFORÇADO 
COM GEOSSINTÉTICOS 
 
O objetivo de confeccionar modelos físicos de 
estrutura de solo reforçado é para que os futuros 
engenheiros civis estejam familiarizados não só 
com geossintéticos, seus tipos e funções, mas 
com sistemas construtivos e concepções de 
projeto envolvendo os princípios em torno do 
reforço de solos (PINHO-LOPES, 2016). 
Especificamente no desenvolvimento deste 
modelo, o objetivo foi de mostrar aos alunos os 
procedimentos para se executar um muro de 
areia em solo reforçado com geossintéticos pela 
técnica de solo envelopado. Para a confecção 
deste modelo, foi utilizada uma caixa de acrílico, 
um solo arenoso e um tecido de polipropileno do 
tipo TNT (simulando um geotêxtil não tecido). 
A sequência de construção teve que ser 
realista, seguindo as etapas de instalação e pré-
tensionamento dos reforços, compactação do 
solo (usando compactador manual), escavação 
da vala de ancoragem para envelopamento e 
recompactação do solo em cada camada. A 
Figura 9 apresenta o modelo físico desenvolvido 
pelos alunos. Ao final, o modelo foi levado a 
uma prensa de ensaios para aplicação de 
sobrecarga e verificação de deformações na face 
(Figura 9c). 
 
 
(a) 
 
(b) 
 
(c) 
Figura 9. Modelo físico de estrutura de solo reforçado com 
geossintético: (a) processo construtivo; (b) muro 
finalizado; (c) medida de deslocamento de face após 
sobrecarga. Fonte: Próprios autores (2018). 
Vala de ancoragem 
Reforço não tecido 
Muro vertical 
Deslocamento 
de face 
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3 CONSIDERAÇÕES FINAIS 
 
Neste trabalho, foram desenvolvidos modelos 
físicos para a explicação de fenômenos 
geotécnicos para o ensino de Geotecnia na 
Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), 
no curso de graduação em Engenharia Civil. 
 Através do desenvolvimento destes modelos, 
verificou-se que os alunos ficaram mais 
motivados no curso e que puderam visualizar e 
entender com mais clareza alguns dos conceitos 
e fenômenos geotécnicos anteriormente 
apresentados somente em sala de aula. 
 Para o aluno José Wilson Batista da Silva: 
“A realização dos modelos físicos foi a 
consolidação que faltava na compreensão de 
alguns fenômenos estudados na disciplina de 
Mecânica dos solos. Durante a construção dos 
modelos, eu e meu grupo trabalhamos revisando 
desde conceitos básico de caracterização de 
solos, compactação e desenvolvimento de 
poropressões no solo, até conceitos mais 
sofisticados e teóricos como o efeito de piping e 
a própria rede fluxo, complementando assim 
nosso processo de aprendizagem. Outro ponto 
muito positivo durante as aulas foi o avanço no 
conhecimento sobre os tipos de geossintéticos e 
a sua aplicação na construção de taludes e 
muros reforçados.” 
 O trabalho de laboratório também ofereceu 
aos alunos, a oportunidade de trabalharem juntos 
na experimentação e desafio da montagem dos 
modelos, bem como na interpretação dos dados 
e retroanálises dos problemas apresentados. 
 Esta prática tornou as aulas muito mais 
dinâmicas e interessantes, motivando os alunos. 
A experiência didática e pedagógica para o 
ensino de Geotecnia foi também motivadora para 
os professores. 
 O material final está sendo utilizado para a 
produção de vídeos educativos sobre os 
fenômenos geotécnicos. Estes vídeos serão 
divulgados a toda comunidade estudantil através 
da criação de um canal educacional um uma 
plataforma de compartilhamento de vídeos, onde 
trabalhos futuros serão continuamente 
compartilhados. 
 
AGRADECIMENTOS 
 
Os autores agradecem ao apoio institucional do 
Laboratório de Geotecnia da UFSCar 
(LabGEO/UFSCar)para a confecção dos 
modelos físicos. Agradecemos a participação 
dos alunos Ana Porto, Caio Bruneli, Carolina 
Goshima, Vivian Miceli e Vlademir Sciascio. 
 
REFERÊNCIAS 
 
CARDOSO, R.; GOMES, R. C.; SANTOS, J.; SENA 
COSTA, V.; CAETANO, J. P. (2004). Equipamentos 
para experiências pedagógicas no ensino da mecânica 
dos solos. In: 9º Congresso Nacional de Geotecnia, 
Vol. II, SPG, pp. 243-254. 
CARDOSO, R.; GOMES, R. C.; SANTOS, J.; SENA 
COSTA, V.; CAETANO, J. P. (2009). Novos 
equipamentos didáticos no ensino da mecânica dos 
solos. In: 10º Congresso Nacional De Geotecnia, 
Portugal, 8p 
JASKA, M. B. (2009). Use of Demonstration Models in 
Undergraduate Geotechnical Engineering Education, 
Research Report No. R 177, November 2009, 44p. 
JASKA, M. B.; KUO, Y. L.; SHAHIN M. A.; YUEN, S.; 
AIREY, D.; KODIKARA, J. K. (2016). Engaging and 
Effective Laboratory Classes in Geotechnical 
Engineering. In.: SFGE 2016 - Shaping the Future of 
Geotechnical Education International Conference on 
Geo-Engineering Education, Belo Horizonte, MG, 
Brazil 
PINHO-LOPES, M. (2016). Reinforced soil with 
geosynthetics – hands-on learning (PBL) using sand 
and paper. In.: SFGE 2016 - Shaping the Future of 
Geotechnical Education International Conference on 
Geo-Engineering Education, Belo Horizonte, MG, 
Brazil 
SANTANA, T.; LAMAS, P. (2009). Modelos físicos 
simples de apoio ao ensino da Geotecnia. In: 10º 
Congresso Nacional De Geotecnia, Portugal. 
SHIAU, J.; PATHER, S.; AYRES, R. (2006). Developing 
physical models for geotechnical teaching and 
research. In.: Physical Modelling in Geotechnics – 6th 
ICPMG´06 – Ng, Zhang & Wand (eds), pp. 156-162 
STEENFELT, J. S. (2000). Teaching for the Millenium – 
or for the Students? Proc. GeoEng 2000, Melbourne, 
Australia, November 19–24, Vol. 1, 826–840. 
WARTMAN, J. (2006). Geotechnical Physical Modeling 
for Education: Learning Theory Approach. Journal of 
professional issues in Engineering Education and 
Practice, 2006, 132(4): 288-296