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Permeabilidade dos solos
Escola Politécnica de Pernambuco – POLI – UPE
Disciplina: Mecânica dos Solos 1 Turma: XO
Integrantes do grupo:
José Alberto Lopes
Murilo Luiz
Carlos Eduardo Pergentino
Marcelo Lima
Emmanuel Silva
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Permeabilidade dos Solos, Trabalhos de Mecânica dos Solos
Trabalho sobre a permeabilidade dos solos da disciplina de mec. dos Solos 1
Tipologia: Trabalhos
Antes de 2010
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Permeabilidade dos solos
Escola Politécnica de Pernambuco – POLI – UPE
Disciplina: Mecânica dos Solos 1 Turma: XO
Integrantes do grupo:
José Alberto Lopes
Murilo Luiz
Carlos Eduardo Pergentino
Marcelo Lima
Emmanuel Silva
ÍNDICE
**1. Introdução
- A permeabilidade dos solos
- Fatores que influenciam na permeabilidade
- A Lei de Darcy
- O coeficiente de permeabilidade e sua determinação
- Valores típicos de coeficientes de permeabilidade
- Variação do coeficiente de permeabilidade de cada solo
- A velocidade de descarga e a velocidade real da água
- Cargas hidráulicas
- A permeabilidade na Engenharia Civil
- Conclusão
- Referências**
2. A permeabilidade dos solos
A permeabilidade é a propriedade que o solo apresenta de permitir o escoamento de água através dele. Todos os solos são mais ou menos permeáveis. O conhecimento do valor da permeabilidade é muito importante em algumas obras de engenharia, principalmente, na estimativa da vazão que percolará através do maciço e da fundação de barragens de terra, em obras de drenagem, rebaixamento do nível d’água, adensamento, etc. Portanto, os mais graves problemas de construção estão relacionados com a presença da água. O conhecimento da permeabilidade e de sua variação é necessário para a resolução desses problemas. O coeficiente de permeabilidade pode ser determinado através de ensaios de laboratório em amostras indeformadas ou de ensaios “in situ”. Como já foi visto, o solo é um material natural complexo, constituído por grãos minerais e matéria orgânica, constituindo uma fase sólida, envolvidos por uma fase líquida: água. Há uma terceira fase, eventualmente presente; o ar, o qual preenche parte dos poros dos solos não inteiramente saturados de água. No caso das areias o solo poderia ser visto como um material constituído por canalículos, interconectados uns aos outros, nos quais ou há água armazenada, em equilíbrio hidrostático, ou água flui através desses canalículos, sob a ação da gravidade. Nas argilas esse modelo simples do solo perde sua validade, uma vez que devido ao pequeníssimo diâmetro que teriam tais canalículos e as formas exóticas dos grãos, intervêm forças de natureza capilar e molecular de interação entre a fase sólida e a líquida. Portanto, o modelo de um meio poroso, pelo qual percola à água, é algo tanto precário para as argilas, embora possa ser perfeitamente eficiente para as areias. Infelizmente a quase totalidade das teorias para percolação de água nos solos é baseada nesse modelo.
3. Fatores que influenciam na permeabilidade
Os principais fatores que influenciam no coeficiente de permeabilidade são: granulometria, índice de vazios, composição mineralógica, estrutura, fluído, macro- estrutura e a temperatura. Granulometria - O tamanho das partículas que constituem os solos influencia no valor de “k”. Nos solos pedregulhosos sem finos (partículas com diâmetro superior a 2mm), por exemplo, o valor de “k” é superior a 0,01cm/s; já nos solos finos (partícula com diâmetro inferior a 0,074mm) os valores de “k” são bem inferiores a este valor. Índice de vazios - A permeabilidade dos solos esta relacionada com o índice de vazios, logo, com a sua porosidade. Quanto mais poroso for um solo (maior a dimensão dos poros), maior será o índice de vazios, por conseguinte, mais permeável (para argilas moles, isto não se verifica). Composição mineralógica - A predominância de alguns tipos de minerais na constituição dos solos tem grande influência na permeabilidade. Por exemplo, argilas moles que são constituídas, predominantemente, de argilo-minerais (caulinitas, ilitas e montmorilonitas) possuem um valor de “k” muito baixo, que varia de 10-7 a 10-8 cm/s. Já nos solos arenosos, cascalhentos sem finos, que são constituídos, principalmente, de minerais silicosos (quartzo) o valor de “k” é da ordem de 1,0 a 0,01cm/s. Estrutura - É o arranjo das partículas. Nas argilas existem as estruturas isoladas e em grupo que atuam forças de natureza capilar e molecular, que dependem da forma das partículas. Nas areias o arranjo estrutural é mais simplificado, constituindo-se por canalículos, interconectados onde a água flui mais facilmente. Fluído - O tipo de fluído que se encontra nos poros. Nos solos, em geral, o fluído é a água com ou sem gases (ar) dissolvidos. Macro-estrutura - Principalmente em solos que guardam as características do material de origem (rocha mãe) como diaclases, fraturas, juntas, estratificações. Estes solos constituem o horizonte C dos perfis de solo, também denominados de solos saprolíticos. Temperatura - Quanto maior a temperatura, menor a viscosidade d’água, portanto, maior a permeabilidade, isto significa que a água mais facilmente escoará pelos poros do solo.
5. O coeficiente de permeabilidade e sua determinação
O coeficiente de permeabilidade é o grau de permeabilidade expresso numericamente. É calculado para duas situações: Carga constante e carga variável.
Determinação do coeficiente de permeabilidade à carga constante de água percolando através do solo, em regime de escoamento laminar com continuidade do escoamento, sem variação do volume do solo durante o ensaio.
Existem diversos tipos de equipamentos para investigação da condutividade hidráulica de solos em laboratório. Esses equipamentos são denominados de permeâmetros, e são classificados em permeâmetros de parede rígida e parede flexível. Os ensaios de condutividade hidráulica realizados em laboratório são mais utilizados na avaliação de solos compactados durante a fase de projeto, devido os baixos custos comparados com ensaios de campo. Os resultados destes ensaios ajudam na seleção de materiais, normalmente mais indicados como camada impermeabilizante de fundações e aterros sanitários.
Permeabilidade de parede rígida
O permeâmetro de parede rígida é constituído por tubo metálico, plástico ou vidro (quando o chorume for o líquido percolante), onde é colocado o corpo de prova para o ensaio. Esse tipo de permeâmetro não se utiliza em ensaios com solos de baixa permeabilidade, pois há a possibilidade de fluxo lateral entre o corpo de prova e molde, neste caso podem ser ensaiados de acordo com a NBR 13292/95. Os permeâmetros de parede rígida mais utilizados são do tipo: molde de compactação, tubo amostrador e célula de adensamento.
a) Permeâmetro do tipo molde de compactação O ensaio com permeâmetro do tipo molde de compactação é realizado em corpos de prova compactados. O corpo de prova contido por um cilindro é fixo entre duas placas (tampas) em suas extremidades e vedadas com anéis de borracha. No topo e base são colocados materiais drenantes. Daniel (1994) apresentou uma extensa revisão sobre os principais permeãmetros de parede rígida utilizados para determinação da k em solos. Em geral estes permeâmetros utilizam corpos de prova compactados, porém a NBR 14545/00 descreve um tipo de ensaio onde são executadas uma vedação com argila plástica (bentonita) nas laterais do corpo de prova. Neste caso o corpo de prova pode ser compacto ou natural. A bentonita terá como função o selamento anelar evitando o fluxo de água pelas lateriais. Daniel (1994) também apresenta este tipo de equipamento. A figura 6.4 (a), (b) e (c) apresenta 3 tipos de permeâmetros de parede rígida mais utilizados.
b) Permeâmetro do tipo tubo amostrador O permeâmetro do tipo tubo amostrador consiste de um tubo que coleta amostras indeformadas em campo. Várias vezes o tubo é cortado no laboratório e fixo entre as placas, sendo o corpo de prova percolado com líquidos diretamente no interior do tubo. Daniel (1994), afirma há grandes possibilidades de ocorrer fluxo lateral se o ensaio for realizado com amostras de solos muito rígidos ou que tenham material granular. Além disto, podem ocorrer danos na amostra quando na coleta, devido à perturbação do solo na cravação do tubo amostrador e também na retirada do mesmo.
c) Permeâmetro do tipo célula de adensamento O permeâmetro do tipo célula de adensamento é formado por uma célula, pela qual o fluxo d’água do corpo de prova é conectado ao ensaio figura 6.6, Tavenas et al (1983), afirma que uma das vantagens na utilização deste ensaio é a possibilidade de medir além da condutividade hidráulica a tensão vertical efetiva inicial (σ’v0), índice de vazios (e0), mas também a lei da variação de k em função do índice de vazios com o aumento da tensão vertical efetiva.
materiais de baixa condutividade hidráulica; (d) ensaios mais rápidos; (e) a membrana que envolve a amostra reduz o risco de percolação lateral devido à tensão de confinamento aplicada; (f) as mudanças volumétricas e deformações podem ser medidas. Citam-se como principais desvantagens: (a) os custos da célula e dos equipamentos envolvidos para realização dos ensaios são elevados; (b) problemas de compatibilidade química da membrana com líquidos utilizados na percolação; (c) dificuldades de execução do ensaio com tensões de compressão muito baixas; (d) problemas de difusão através da membrana.
Métodos de Ensaio (sistemas de controle)
Os métodos de ensaio de condutividade hidráulica são nomeados em função do sistema de aplicação de carga hidráulica, que podem ser do tipo: carga constante, carga variável e vazão constante (Daniel, 1994).
Ensaio a carga constante
Neste ensaio a amostra é submetida a uma carga hidráulica constante durante o ensaio (permeâmetro de nível constante). O coeficiente de permeabilidade é determinado pela quantidade de água que percola a amostra para um dado intervalo de tempo. A quantidade de água é medida por uma proveta graduada, determinando-se a vazão (Q), conforme mostra a Figura 6.8. Este permeâmetro é muito utilizado para solos de granulação grossa (solos arenosos).
Q = v. A v = k. i Q = k. i. A Q = k. h/L. A
k = permeabilidade v = velocidade i = gradiente hidráulico Q = vazão L = comprimento A = área da amostra h = diferença de nível V = volume t = tempo
Ensaio a carga variável
Em se tratando de solos finos (solos argilosos e siltosos), o ensaio com carga constante torna-se inviável, devido à baixa permeabilidade destes materiais há pouca percolação de água pela amostra, dificultando a determinação do coeficiente de permeabilidade. Para tais solos é mais vantajoso a utilização de permeâmetros com carga variável, conforme mostra a Figura 6.9. h = f (t) Q = V/t = k. i. A V = K. i. A. t
dV = k. i. A. dt (na amostra) dV = - a. dh (na bureta) k. i. A. dt = - a. dh k. h/L. A. dt = - a. dh
Realizando-se a integração entre h1 e h2 e t1 e t
Ensaios de campo (in situ)
Por mais cuidadosos que sejam os ensaios de permeabilidade em laboratório, representam somente pequenos volumes de solo em pontos individuais de uma grande massa. Portanto, a validade da aplicação dos valores neles obtidos aos problemas de percolação e drenagem dependerá de como possam ser considerados representativos da massa de solo. Em projetos importantes justifica-se a realização de determinações “in situ” da permeabilidade as quais envolvem grandes volumes de solo fornecendo valores médios de permeabilidade que levam em conta variações locais no solo. Por outro lado, eliminam o problema do amolgamento das amostras indeformadas e a dificuldade de amostragem oferecida por algumas formações especialmente de solos arenosos.
Ensaio de permeabilidade em furos de sondagem
É um ensaio de custo baixo quando comparado com o ensaio de bombeamento. Determina-se a permeabilidade de solos e rochas injetando-se água ou bombeando-se através de perfurações executadas durante a fase de investigação (furos de SPT). Este método está sujeito a uma série de erros, tais como a falta de precisão nas medidas dos elementos geométricos, o amolgamento do solo devido à perfuração, etc. Além disso, as fórmulas deduzidas para o cálculo da permeabilidade são aplicáveis somente em casos específicos e, por isso, é necessário muito cuidado para não aplicar fórmulas a ensaios cujas condições não se enquadram nos limites estipulados para as mesmas.
Ensaio de permeabilidade - carga variável:
Ensaio de permeabilidade - carga constante
No ensaio de carga constante a água é acrescentada no interior do revestimento, numa quantidade suficiente para manter um nível d’água constante, geralmente na boca do revestimento. A água pode ser adicionada derramando-se de recipientes calibrados ou por bombeamento através de hidrômetro. Determina-se a quantidade de água acrescentada no revestimento a 1, 2 e 5 minutos após o inicio do ensaio e daí por diante a cada 5 minutos de intervalo.
Ensaio com piezômetro
Na engenharia geotécnica, piezômetros são instrumentos amplamente utilizados para monitoramento de poro pressões em encostas naturais, taludes, obras de terra, etc. Os ensaios com piezômetro são empregados para a
determinação do k em solos naturais e camadas compactadas. Tendo como principal vantagem a sua simplicidade e rápida execução. Segundo Tavenas et. al (1986) existem dois tipos de piezômetros (figura 6.13) amplamente empregados: piezômetro cravado e piezômetro escavado. a) Piezômetro do tipo cravado Este piezômetro é formado de uma ponteira metálica e um elemento poroso ligado a um tubo de água. Este tipo de ensaio não deve ser utilizado para solos argilosos, pois no momento da cravação ocorre uma pertubação e colmatação na estrutura do solo (Tavenas et al; 1986). A alteração destas características do solo natural diminui os valores do coeficiente k encontrados no campo. A figura 6.13 b demonstra o esquema de um piezômetro cravado.
Piezômetro do tipo escavado Herzog (1994) apresenta detalhes construtivos de piezômetros escavados, que foram utilizados para determinação da condutividade hidráulica em depósitos naturais geológicos dos Estados Unidos. Os ensaios realizados por este autor são do tipo slug test similar aos ensaios realizados por Cunha et al. (1997), Bortoli (1999) e Pinheiro (2000). A execução de um ensaio de condutividade hidráulica com piezômetro escavado (figura 6.13a) requer basicamente: (a) tubos de PVC com diâmetro de 32 a 40mm, visando permitir o aumento do comprimento do tubo de suporte, até atingir-se a profundidade de ensaio (cada extensão é realizada por meio de conexões rosqueadas e vedadas), (b) bentonita para a execução do selo, (c) areia para execução do filtro (este é construído com areia de granulometria grossa; recomenda-se que seja usada uma camada adicional de alguns centímetros de areia fina sobre a camada de areia grossa, para evitar que a bentonita provoque colmatação do filtro), (d) bureta graduada para a medição do volume de água infiltrado, (e) trados e hastes para a execução do furo de sondagem. A equação básica para a determinação do coeficiente de condutividade hidráulica a partir de
Ensaio de perda d’água sob pressão (ensaio Lugeon)
É prática corrente observar-se no decorrer da execução de sondagens rotativas perdas de água parciais ou totais dependendo da importância e densidade de fissuração da rocha. O ensaio de Lugeon ou de perda d’água nada mais é do que um aperfeiçoamento desta observação. O ensaio de perda d’água permite obter informações quantitativas sobre a circulação da água em rochas fissuradas, com o objetivo de julgar as possibilidades de consolidação por injeções. O ensaio consiste em injetar, em um trecho de comprimento L, isolado num furo de sondagem por obturadores, água sob pressão constante conforme o esquema apresentado na Figura 6.14. A pressão de injeção (Pm) é controlada por um manômetro e a descarga (vazão) através de um hidrômetro, obtendo-se o volume injetado num certo intervalo de tempo.
Fórmulas empíricas
Hazen : fornece valores de permeabilidade em função do diâmetro e forma dos grãos. Válida somente para solos arenosos (areias fofas e uniformes)
Onde, k = coeficiente de permeabilidade D10 = diâmetro efetivo das partículas C = coeficiente que para solos arenosos é igual a 100.
Nishida : correlaciona o índice de vazios com a permeabilidade em argilas saturadas
Onde, k = coeficiente de permeabilidade e = índice de vazios IP = índice de plasticidade δ = constante que depende do tipo de solo e de valor médio 0,
− Umidade de compactação
− Índice de Vazios − K (m/s)
− 17 % − 0,71 − 2 x 10-
− 19 % − 0,71 − 9 x 10-
− 21 % − 0,71 − 5 x 10-
- Geralmente, o solo não é isotrópico com relação à permeabilidade.
- Solos sedimentares → Khorizontal > Kvertical
- Solos Compactados → Khorizontal = 5, 10 ou 15 vezes Kvertical
- Em virtude da estratificação do solo, os valores de K são diferentes nas direções horizontal e vertical.
d) Temperatura
- K depende de γ (peso específico) e μ (viscosidade) do líquido.
- γ e μ variam com a temperatura.
- Quanto maior a T, menor μ → Aumento de K