Resultados de Ensaios de Condutividade Hidráulica nos Solos
Coluvionares de São Vendelino (RS)
Luiz Antônio Bressani, Isac Alexandre Martinello, Rodrigo Moraes da Silveira e Adriano Virgílio
Damiani Bica
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul,
Porto Alegre, Brasil
RESUMO: Este artigo apresenta resultados de ensaios de campo de condutividade hidráulica em
solos coluvinares situados lateralmente a uma cicatriz causada por uma das dezenas de corridas de
detritos que ocorreram no local em dezembro de 2000, devido a uma chuva de grande intensidade.
O trabalho experimental tem o objetivo de caracterizar os solos e a variação do coeficiente de
condutividade hidráulica in situ. Foram realizados os seguintes ensaios: (i) ensaios com
piezômetros; (ii) ensaios com permeâmetro de Guelph e (iii) ensaios com infiltrômetro de anel
duplo. Os resultados apresentaram uma grande variação nos valores medidos, em parte por
heterogeneidades naturais dos solos testados. O ensaio tipo Guelph foi o que apresentou a maior
dispersão dos resultados.
PALAVRAS-CHAVE: Condutividade Hidráulica, Ensaios de Campo, Corridas de Detritos.
1
INTRODUÇÃO
Dentre os movimento de massa citados na
bibliografia, os eventos classificados como
corridas de detritos são os mais rápidos e de
maior poder de destruição. Algumas vezes estes
eventos podem ter proporções catastróficas
quando atingem áreas ocupadas, soterrando ou
destruindo estruturas e rodovias.
Para prevenir ou diminuir os danos causados
por este tipo de movimento de massa é
necessária a identificação das áreas de risco e o
desenvolvimento de sistemas de alerta nestas
áreas. O conhecimento mais preciso das
condições limites para a deflagração das
corridas de detritos é de grande importância
nestas definições.
O desencadeamento de corridas de detritos
geralmente está associado a um evento
pluviométrico de grande intensidade. Embora
existam muitos fatores que conduzem à geração
de corridas de detritos, a chuva intensa pouco
antes do evento se constitui no aspecto mais
significativo, pela eliminação da sucção dos
solos e pela geração de poro-pressões
transientes elevadas.
É sabido que as condições iniciais de
umidade e sucção do solo influenciam na sua
resistência ao cisalhamento e condutividade
hidráulica. Por sua vez, as redes de fluxo e
poro-pressões que surgem na encosta dependem
da condutividade hidráulica e sua variabilidade
espacial nas camadas de solo.
Este artigo apresenta resultados de ensaios
de campo de condutividade hidráulica em solos
coluvionares remanescentes dos eventos de
instabilidades de taludes do tipo corrida de
detritos ocorridos em dezembro de 2000 na
mesma área. Os ensaios realizados visam
caracterizar espacialmente o coeficiente de
condutividade hidráulica para tentar estabelecer
bases para análises das instabilidades ocorridas.
2
DESCRIÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO
A área de estudo corresponde à região onde
ocorreram dezenas de movimentos de massa e
corridas de detritos, em dezembro de 2000
(Azambuja et al., 2001). A região fica
localizada entre os municípios de Alto Feliz,
Carlos Barbosa e São Vendelino (RS). O sítio
experimental específico situa-se na margem da
rodovia estadual RS 122, entre os km 45,340 e
km 45,380, distante cerca de 7 km da cidade de
São Vendelino (RS), cerca de 80 km de Porto
Alegre.
A região montanhosa apresenta diversas
formas de relevo subordinadas à direção dos
fraturamentos locais. O clima úmido local
provocou um expressivo trabalho de dissecação
fluvial e intemperismo químico, originando um
relevo ondulado com vertentes côncavoconvexas, com encostas e patamares
escalonados, evidenciando os diferentes níveis
de derrames vulcânicos existentes.
Nas cotas elevadas das encostas, os tipos
litológicos predominantes são os basaltos e os
riodacitos. Os derrames basálticos apresentam
espessura pequena a moderada no local,
raramente ultrapassando 15 metros. Já os
derrames de topo (mais ácidos) apresentam-se
com espessuras de até 60 metros. A região
apresenta três principais lineamentos tectônicos
regionais (N30E; N70E; N60W) que
condicionam as formas de relevo e as direções
das principais drenagens (Azambuja et al.,
2001).
O sítio experimental apresenta uma cicatriz
resultante de uma ruptura (corrida de detritos)
do evento de 2000. Esta cicatriz tem formato
alongado e pequena largura (1 a 2,5m). O fundo
da cicatriz apresenta trechos com depósitos de
solo de pequena espessura e trechos com o
substrato rochoso aparente. Lateralmente à
cicatriz
observa-se
os
colúvios
que
permaneceram. Estes são solos muito
heterogêneos, com matriz silto-argilosa e
presença de blocos de rocha de origem
basáltica.
A Figura 1 mostra uma vista geral da encosta
estudada tendo no centro a cicatriz originada
pela corrida de detritos de dezembro de 2000
(elipse). A Figura 2 mostra a encosta estudada a
partir da rodovia RS 122 com a indicação dos
locais de amostragens e de realização dos
ensaios.
3 CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA DOS
SOLOS ESTUDADOS
Foram coletadas amostras em dois pontos
distintos da encosta estudada. As amostras
foram denominadas de acordo com as cotas das
quais foram extraídas:
i) cota 351 m: colúvio adjacente à cicatriz
existente na encosta e;
ii) cota 360 m: colúvio localizado próximo ao
limite superior (crista) da cicatriz.
Figura 1. Vista geral do talude com destaque para a
cicatriz da corrida de detritos de dezembro de 2000.
Locais de amostragens e
ensaios de campo
Figura 2. Vista da encosta a partir da RS 122.
A Tabela 1 apresenta o resumo dos
resultados de caracterização das amostras de
solo coluvionar ensaiadas. O grau de saturação
médio obtido foi de 67% e o índice de vazios
variou entre 1,26 e 1,56. Os resultados dos
ensaios de granulometria com o uso de
defloculante mostraram uma predominância de
argila e silte (Tabela 2).
Tabela 1. Peso específico e limites de consistência dos
solos estudados.
Solo
LL
IP
γs
(cota)
(%)
(%)
(kN/m³)
351 m
28,27
60,4
18,2
360 m
28,91
55,9
15,9
Obs.: γs=peso específico real dos grãos, LL=limite de
liquidez e IP=índice de plasticidade.
Tabela 2. Granulometria dos solos estudados.
Solo
% argila % silte % areia % pedregulho
(cota)
351 m
41
41,5
15,5
2
360 m
40
45
13,5
1,5
k fs =
Q
F⋅H
(1)
onde: Q=vazão estabilizada; H=carga hidráulica
e F=fator de forma.
4
ENSAIOS
DE
CONDUTIVIDADE
HIDRÁULICA “IN SITU”
Os ensaios realizados para a determinação da
condutividade
hidráulica
em
campo
compreenderam: (i) ensaios com piezômetros;
(ii) ensaios com permeâmetro de Guelph e (iii)
ensaios com infiltrômetro de anel duplo.
4.1
Ensaios com piezômetros
Devido à sua praticidade, ensaios em
piezômetros são os mais utilizados para a
determinação do coeficiente de condutividade
hidráulica em campo.
No caso de solos não saturados, a variação
do coeficiente de condutividade hidráulica com
o grau de saturação faz com que, no inicio do
ensaio, o fluxo seja transiente. O coeficiente de
condutividade hidráulica é determinado quando
o fluxo, no ensaio, torna-se permanente. Esse
fato é percebido através da estabilização da
vazão nos ensaios com carga constante (ou das
leituras de tempo para a mesma variação da
carga hidráulica nos ensaios com carga
variável).
Foram instalados dois piezômetros em duas
cotas distintas da encosta. Estes foram
instalados em furos de sondagens executados a
trado com diâmetro de 6 cm. Os tubos de PVC
dos piezômetros tinham diâmetros de 25 mm,
com um trecho ranhurado (10 e 20cm). O fundo
do furo era limpo e regularizado com uma fina
camada de areia limpa. Instalava-se o tubo,
seguido da execução do filtro de areia e de um
selo de bentonita até o nível do terreno.
Na extremidade superior do tubo de água era
montado um tubo de PVC de 40 mm de
diâmetro, com uma bureta graduada em
paralelo, para monitorar o nível de água no
interior do piezômetro. Ensaios de carga
variável e carga constante foram realizados.
Os resultados foram interpretados a partir da
Equação 1 (carga constante) e da Equação 2
(carga variável) propostas por Hvorslev (1951).

d 2 ln  H 1

H
2 


k fs =
F ⋅ ∆t
(2)
onde:
kfs=coeficiente
de
condutividade
hidráulica; d=diâmetro do tubo; H1 e H2=cargas
hidráulicas inicial e final e ∆t=tempo necessário
para leituras variarem de H1 até H2.
4.1.1 Resultados obtidos
A Tabela 3 apresenta os dados característicos
dos piezômetros e os resultados obtidos nos
ensaios realizados.
Tabela 3. Dados característicos dos piezômetros e
resultados obtidos.
Cota
z
L
H1
H2
kfs
(carga hidr.) (cm) (cm) (cm) (cm)
(cm/s)
347(var)
105
35
150,5 122 1,8x10-2
361(var)
95
21
127,5
99
5,9x10-3
347(cte)
105
35
90
1,3x10-2
Obs.: carga hidráulica: var=variavel, cte=contante,
z=profundidade e L=comprimento do filtro de areia.
4.2
Permeâmetro de Guelph
Os parâmetros obtidos nos ensaios com este
equipamento foram: (i) coeficiente de
condutividade hidráulica saturada de campo
(kfs) e (ii) potencial mátrico de fluxo (φm).
Este ensaio consiste basicamente em
estabelecer um fluxo de água em regime
permanente num solo não saturado, sob uma
carga hidráulica baixa e constante dentro de um
furo de sondagem. Durante o ensaio mede-se a
vazão infiltrada pela base e pelas paredes do
furo de sondagem. Foi utilizado o permeâmetro
2800 KI, fabricado pela empresa “Soilmoisture
Equipment Corp.”.
Foram realizados 4 ensaios com o
permeâmetro de Guelph em diferentes cotas da
encosta estudada.
4.2.1 Resultados obtidos
4.3
A Tabela 4 apresenta as cotas onde foram
realizados os ensaios, profundidade dos furos de
sondagem e cargas hidráulicas utilizadas. Os
ensaios foram executados com a aplicação de
três cargas hidráulicas sequenciais, permitindo
o cálculo de três valores de kfs. Nos cálculos
iniciais o potencial mátrico de fluxo calculado
(φm) apresentou valores bastante pequenos ou
negativos. Considerando que resultados
preliminares da curva característica (sucção x
umidade) indicam valores de sucção menores
do que 5 kPa para umidades maiores do que
35% quando em campo o solo apresentava
umidades entre e 44 e 50%, foi adotado um
valor nulo para φm (condição saturada). Os
valores calculados estão indicados na Tabela 5.
Tabela 4. Dados dos ensaios com permeâmetro de
Guelph.
Ensaios
Cota
(m)
Prof.
(cm)
1
2
3
4
350
361
347
361,5
85
100
70
55
Cargas Hidráulicas
H1
H2
H3
(cm)
(cm)
(cm)
5
10
15
5
12
20
5
10
17
5
10
15
Para o cálculo dos resultados a partir dos
dados obtidos nos ensaios foi utilizada a
solução analítica proposta por Reynolds et al.
(1985) (Equação 3).
(2.π .H i + C i .π .a 2 ).k fs + (2.H i .π ).φ m = C i .Q i (3)
2
onde: Hi=carga hidráulica; Ci=fator de forma;
a=raio do furo e Qi=vazão estabilizada.
Os resultados obtidos a partir dos ensaios
com permeâmetro de Guelph estão apresentados
na Tabela 5.
Tabela 5. Resultados dos ensaios de Permeâmetro de
Guelph.
Coeficiente de condutividade
Cota (m)
hidráulica - kfs (cm/s)
/ (ensaio)
H1
H2
H3
350 (1)
1,4x10-3
7,6x10-4
1,2x10-3
361 (2)
6,2x10-5
6,0x10-5
6,6x10-5
-4
-4
347 (3)
8,3x10
7,6x10
1,3x10-3
-4
-3
361,5 (4) 1,2x10
8,6x10
1,3x10-2
Infiltrômetro de anel duplo
O Infiltrômetro de Anel Duplo é um ensaio
utilizado para determinar a taxa de infiltração
de água nos solos. É um ensaio largamente
utilizado na área das ciências de solo voltadas
para irrigação e drenagem. Na área da
geotecnia, Daniel e Trautwein (1986)
descreveram a adaptação do ensaio para a
determinação do coeficiente de condutividade
hidráulica de “liners” de aterros sanitários.
Campos e Burgos (2003) utilizaram este tipo de
ensaio para a análise de taxa de infiltração
vertical em solos residuais e coluvionares na
cidade de Salvador (BA), com aplicação dos
resultados em análises de estabilidade de
taludes.
Este ensaio consiste em dois cilindros,
cravados de forma concêntrica no solo. O
diâmetro recomendado do cilindro interno varia
entre 0,6 m e 2 m (Daniel, 1989), para “liners” e
de 30 cm para o anel interno e no mínimo 50
cm para o anel externo (Cauduro e Dorfman,
1986) para uso agronômico.
Os anéis utilizados nos ensaios para este
artigo possuíam diâmetros de 30 cm e 60 cm,
ambos com 50 cm de altura. Somente um ensaio
foi executado na encosta (cota 364,5). O ensaio
foi executado a partir de duas condições
distintas: i) terreno natural intacto; ii) terreno
natural com a remoção de folhas e vegetação da
superfície.
Durante os ensaios a sucção no solo foi
monitorada através de dois tensiômetros
instalados (a) no interior do anel interno e (b)
no exterior do anel externo, ambos a uma
profundidade de 20 cm.
4.3.1 Resultados obtidos
A taxa de infiltração foi obtida a partir das
medidas de variação do nível de água no
interior do anel interno. A partir da curva de
variação da taxa de infiltração em função do
tempo foi determinada a taxa de infiltração
estabilizada da camada superior do solo.
Ao se atingir a estabilização na taxa de
infiltração, os tensiômetros apresentavam
sucções próximas de zero. Utilizando a
Equação 5, os coeficientes de condutividade
hidráulica da camada superficial do solo foram
calculados para profundidades da frente de
saturação de 20 e 50 cm (Tab. 6).
k fs =
I
 H + L f +ψ f

Lf




(5)
Onde: I=taxa de infiltração estabilizada;
H=altura da coluna de água no interior do anel
interno; Lf=profundidade da frente de
umedecimento e ψf=sucção na frente de
saturação (nula).
Tabela 6. Resultados dos ensaios de infiltrômetro de anel
duplo - cota 364,5m.
kfs
I
Condição
(cm/s)
(cm/s)
Lf=20 cm Lf=50 cm
Solo intacto
7,0x10-3 5,0x10-3
4,0x10-3
Com remoção de
7,5x10-4
5,4x10-4 4,9x10-4
folhas e vegetação
Obs.: I= taxa de infiltração estabilizada no solo natural e
kfs=coeficientes de condutividade hidráulica,
5
DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Nota-se que existe uma grande variação nos
resultados obtidos, especialmente para os
ensaios de Guelph. As razões para esta variação
podem tanto estar relacionados ao tipo de
ensaio (geometria e gradientes hidráulicos)
quanto à variabilidade dos solos. Os colúvios
ensaiados apresentam um arranjo estrutural com
agregados de partículas e com trincas e raízes
decompostas (possíveis canais de fluxo) que
aumentam significativamente a capacidade do
solo de transportar água. Localmente também se
observou a presença de canais criados por
pequenos animais (vermes e formigas). Estas
características afetam o fluxo no talude como
um todo e de modo especial podem afetar
localmente os resultados dos ensaios.
A bibliografia geotécnica apresenta valores
de coeficiente de condutividade hidráulica de
colúvios entre 10-2 a 10-5 cm/s (Tabela 7,
Lacerda, 2002). Assim como neste artigo, na
maioria dos casos os valores apresentados são
em solos com elevada porcentagem de argila.
Isto pode ser justificado pela micro-estrutura
dos solos, em que os grãos de partículas finas
encontram-se agregados, ou por características
de macro-estrutura (trincas, canais e raízes).
Tabela 7. Valores típicos de coeficiente de condutividade
hidráulica, ensaios de campo, em solos coluvionares
(adaptado de Lacerda, 2002).
kfs
Referência
Solo
Local
(cm/s)
Avelar e
Colúvio de
2x10-4 a
Coelho Netto
Bananal, SP
gnaisse
4x10-5
(1992)
Schilling et al. Colúvio de
Rio de
2x10-2 a
(1992)
granito
Janeiro, RJ
8x10-5
Bacellar
Colúvio de Ouro Preto,
10-3
(2000)
gnaisse
MG
Rocha et al. Colúvio de
Vista
4,5x10-4
(1992)
gnaisse
Chinesa, RJ
6
CONCLUSÕES
As principais conclusões obtidas são:
(i) Foram verificadas grandes variações nos
valores obtidos para kfs do solo coluvionar
ensaiado,
provavelmente
devido
à
heterogeneidade dos solos e aspectos locais
como canalículos e variações de índice de
vazios;
(ii) Os valores de coeficiente de condutividade
hidráulica medidos nos solos coluvionares
foram:
§ 5,9x10-3 a 1,3x10-2 cm/s - piezômetros;
§ 6,6x10-5 a 1,3x10-2 cm/s - permeâmetro de
Guelph ;
§ 4,9x10-4 a 5,0x10-3 cm/s - infiltrômetro de
anel duplo;
(iii) Os ensaios realizados com o permeâmetro
de Guelph parecem ser bastante sensíveis a
detalhes de instalação (abertura e limpeza do
furo), tendo apresentado a maior dispersão de
resultados;
(iv) Ensaios com infiltrômetro de anel duplo
mostraram uma variação de cerca de 10 vezes
na condutividade hidráulica da camada superior
do solo coluvionar entre duas condições: na
condição natural e após a remoção cuidadosa de
folhas e material orgânico.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPq e a CAPES
pelo suporte financeiro a 3 dos autores deste
artigo.
REFERÊNCIAS
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(2001) Avaliação dos Fluxos de Detritos em Alto
Feliz no Rio Grande do Sul, In: III Conferencia
Brasileira sobre Estabilidade de Encostas (III
COBRAE), Rio de Janeiro. Anais: ABMS.
Campos, L.E.P; Burgos, P.C. (2003) Um Estudo
Preliminar Sobre a Infiltrabilidade Vertical de Alguns
Solos da Cidade de Salvador-BA, In: V Congresso
Brasileiro de Geotecnia Ambiental (REGEO’2003),
Porto Alegre.
Cauduro, F.A. e Dorfmann, R. (1985) Manual de Ensaios
de Laboratório e de Campo para Irrigação e
Drenagem, UFRGS, Instituto de Pesquisas
Hidráulicas, Porto Alegre, 216p.
Daniel, D.E. (1989) In Situ Hydraulic Conductivity of
Compacted Clay Liners, Journal of Geotechnical
Engineering, ASCE, v. 115 n.9, p. 1205-1226.
Daniel, D.E.; Trautwein, S.J. (1986) Field Permeability
Tests for Earthen Liners, Procedings, In Situ’86,
ASCE, Specialty Conference on Use of In-Situ Tests in
Geotechnical Engineering, Virginia Politechnic
Institute and State University, Blacksburg, N.Y.,
USA, p. 146-160.
Lacerda, W.A. (2002) Comportamento Geotécnico de
Massas Coluviais, III Simpósio de Prática de
Engenharia Geotécnica da Região Sul (III GEOSUL),
Joinville. Anais: ABMS, p. 219-231.
Hvorslev, M.J. (1951) Time Lag and Soil Permeability in
Ground-Water Observations, USACE Waterways
Experiment Station. Vicksburg, MS, USA.
Reynolds W.D. e Elrick D.E (1985). In situ measurement
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and the a-parameter using the Guelph permeameter,
Soil Science, Vol 140, n° 4, p. 292-302.
Soilmoisture Equipment Corp. (1991) Operating
Instructions for the Guelph Permeameter, Santa
Barbara, USA, 28p.