Ensaios de Permeabilidade In Situ em Solos Saturados
Patricia Helena Azevedo Fantinatti, Franchel Pereira Fantinatti Neto, Sérgio Tibana e Frederico
Terra de Almeida.
Laboratório de Engenharia Civil, Universidade Estadual do Norte Fluminense, Rio de Janeiro,
Brasil.
RESUMO: O presente estudo tem como principal objetivo apresentar uma breve descrição de ensaios de
permeabilidade in situ, e, também, apresentar os resultados dos ensaios de carga variável executados em
camadas de solo saturadas. Os estudos apresentados neste trabalho fazem parte de um projeto de pesquisa
que vem sendo desenvolvido pelo Laboratório de Engenharia Civil da UENF, na área de disposição final de
resíduos sólidos da cidade de Campos dos Goytacazes/RJ. Os ensaios foram executados nos piezômetros
instalados na área de estudo em profundidades pré-estabelecidas de acordo com a programação dos estudos.
Os dados foram analisados e o coeficiente de permeabilidade, foi calculado considerando a metodologia
proposta por Hvorslev (1949).
PALAVRAS-CHAVE: Coeficiente de permeabilidade; Carga variável; Piezômetro.
1
INTRODUÇÃO
O coeficiente de permeabilidade de solos é um
parâmetro que apresenta uma faixa de variação
bastante ampla, podendo variar de 1,00 x 10-3
m/s, solos considerados permeáveis como, por
exemplo, os pedregulhos, até valores abaixo de
1,00
x
10-10m/s,
solos
considerados
impermeáveis, as argilas (LAMBE e
WHITMAN, 1976).
Sabe-se que este parâmetro é dependente de
diversos fatores como, por exemplo; o índice de
vazios ou porosidade, o peso específico
aparente seco, o teor de umidade saturado e não
saturado do solo, o grau de saturação, a
estrutura do solo, a composição química e
mineralógica, o fluído percolante, a densidade e
viscosidade deste, e, finalmente, a temperatura.
A direção de fluxo imposta nos ensaios de
laboratório constitui um fator determinante nos
casos de solo com forte anisotropia.
Nos
dias
atuais
existem
diversas
metodologias e propostas para se determinar o
coeficiente de permeabilidade seja em
condições de laboratório ou in situ. Muitos
trabalhos (OLSON e DANIEL, 1981) discutem
as metodologias comparando-as, apresentando
as vantagens e desvantagens de cada uma delas.
Em linhas gerais, pode-se observar que os
ensaios de laboratório apresentam como grande
vantagem ter as condições de contorno bem
controladas. Como desvantagem, defendem os
pesquisadores de campo, que as características
dos corpos de prova nem sempre são mantidas
durante a extração e transporte da amostra, e
moldagem do corpo de prova. Os ensaios
podem ser de carga variável ou de carga
constante. Nestes experimentos, normalmente,
determina-se a vazão, para então, através da Lei
de Darcy, calcular o valor do coeficiente de
permeabilidade.
Os pesquisadores de ensaios de campo
defendem que os resultados destes ensaios são
mais representativos tendo em vista os
experimentos serem executados in situ,
conservando propriedades do solo que não
seriam preservadas quando retirados para os
ensaios de laboratório. Da mesma forma que os
ensaios de laboratório, os ensaios podem ser de
carga constante ou variável, e o coeficiente de
permeabilidade determinado com a vazão
medida e as propostas na maioria das vezes
empíricas.
Neste contexto, apresenta-se, neste trabalho,
uma breve revisão dos métodos usualmente
utilizados na prática da engenharia geotécnica,
e, também, resultados de ensaios de
permeabilidade executados em solos saturados
de origem sedimentar em condições de campo.
Estes ensaios foram executados em piezômetros
instalados para monitoramento da água
subterrânea na área de disposição de resíduos
sólidos da cidade de Campos dos Goytacazes,
ao norte do estado do Rio de Janeiro.
2
ENSAIOS DE CAMPO
2.1
Classificação
Pode-se dizer que os ensaios de permeabilidade
in situ estão diretamente relacionados ao
método de prospecção empregado, pois do
ponto de vista geotécnico, tais ensaios serão
classificados de acordo com os procedimentos
de execução e o diferencial de carga aplicada ao
aqüífero. A Tabela 1, a seguir, apresenta as
formas de realização de ensaios de campo
segundo Oliveira e Corrêa Filho (1996).
Tabela 1. Ensaios in situ para a determinação do
coeficiente de permeabilidade
Maneira
Pressão
Denominação Método de
de
Aplicada
dos Ensaios
Prospecção
Utilização
Sondagens,
Carga
Infiltração
poços e
Nível
cavas
Constante
Sondagens
Descarga Bombeamento
e poços
Sondagens
Carga
Rebaixamento
e poços
Nível
Variável
Sondagens
Descarga
Recuperação
e poços
alimentando-se o sistema com água.
Para a interpretação dos resultados é
elaborado um gráfico onde são lançados os
valores de vazão versus tempo, o qual
possibilita a observação da estabilização da
vazão (caracterizada por uma reta), onde será
usada no cálculo da permeabilidade.
Ensaio de bombeamento
Neste caso, o aqüífero é descarregado,
medindo-se a vazão bombeada, necessária para
manter constante o nível rebaixado.
Para a interpretação dos resultados obtidos
neste ensaio é aconselhável a elaboração dos
gráficos, onde no primeiro serão lançados os
valores da vazão versus tempo, e no segundo
serão lançados as leituras do rebaixamento
versus tempo. Pois é por meio destes gráficos
que será possível observar a estabilização do
nível d´água e a vazão correspondente
necessária para manter o rebaixamento
constante, a qual será usada no cálculo da
permeabilidade em relação ao rebaixamento
atingido.
2.2.2 Ensaios de nível variável (Tabela 1)
Apesar de ser um pouco simplista, esta
classificação fornece a idéia dos vários métodos
existentes. Alguns dos ensaios mais usados para
a determinação da condutividade hidráulica dos
solos são apresentados na sequência deste
trabalho.
Os ensaios de nível variável também podem ser
executados determinando-se o tempo necessário
para o nível d´água passar por dois pontos de
referência.
O ensaio pode ser executado através do
rebaixamento ou recuperação, sendo mais
aplicados para solos de baixa permeabilidade.
2.2 Tipos de
Determinação
Permeabilidade
Ensaio de rebaixamento
Ensaios In Situ para a
do
Coeficiente
de
2.2.1 Ensaios de nível constante (Tabela 1)
Os ensaios a nível constante são executados
mantendo-se o nível d´água constante durante
todo o período de medição. Estes ensaios são
recomendados para solos permeáveis.
O nível d´água pode ser mantido de duas
formas que são descritas a seguir:
Ensaio de infiltração
Neste caso, a carga é mantida constante
No ensaio de carga variável por rebaixamento a
carga inicial é maior do que a carga de
referência. A variável tempo é determinada
após o nível d’água passar pelo ponto inicial e
pelo ponto final ou de referência do ensaio.
Ensaio de recuperação
No ensaio de carga variável por recuperação a
carga inicial é menor do que a carga de
referência ou final do ensaio. Neste caso, a
variável tempo também é registrada para o
cálculo do coeficiente de permeabilidade.
3
3.1
METODOLOGIA APLICADA
que consistiu em adaptar um tubo de PVC com
uma mangueira de nível colada por fora do
mesmo (detalhe na Figura 2).
Permeâmetro de Carga Variável
Os ensaios de permeabilidade foram executados
em piezômetros instalados abaixo do nível
d’água. Os piezômetros foram confeccionados
com tubos de PVC de 75 e 50 mm de diâmetro.
Os mesmos foram instalados em furos a trado
de 3” e 4” de diâmetro. A instalação foi
executada com cuidado para que as medidas de
carga piezométrica em cada instrumento
representassem as condições hidrológicas
locais.
Para fazer a célula de medição do
piezômetro foi utilizada uma amostra de areia
média que foi previamente calibrada para se ter
certeza que a área de medição do tubo de PVC
fosse totalmente envolvida. Acima da camada
de areia foi colocado bentonita para selar a
célula de medição. O restante do furo foi
preenchido com o próprio solo retirado durante
a execução do furo.
Os piezômetros PZ 101, PZ 102, PZ 103, PZ
104, PZ 106 e PZ 108 possuem diâmetro de
75mm e os PZ 109, PZ 110 e PZ 111, diâmetro
de 50mm.
Um esquema do piezômetro é apresentado na
Figura 1.
Figura 1. Esquemático do piezômetro.
Para utilizar o piezômetro como permeâmetro
de carga variável foi necessária uma adaptação,
Figura 2. Detalhe do acoplamento do permeâmetro no
piezômetro
Conforme mencionado anteriormente, o
ensaio foi realizado com carga variável tendo
em vista, principalmente, as condições do local.
A Figura 3 apresenta de forma esquemática a
forma de execução do ensaio.
Figura 3. Esquema do piezômetro com o prolongamento
de medição.
3.2
Cálculo
Permeabilidade
do
Coeficiente
de
Os cálculos dos ensaios de permeabilidade
seguiram a metodologia proposta por Hvorslev
(1949).
k=
( )
d 2 ln 2L D
8L(t 2 t 1 )
ln
H1
H2
(1)
onde: D é o diâmetro interno da célula de
medição, em cm; d é o diâmetro interno do
tubo em que a variação de carga é medida, em
cm; H1 = carga piezométrica quando t = t1, em
cm; H2 = carga piezométrica quando t = t2, em
cm; L= comprimento interno da célula de
medição, em cm e t2-t1 = intervalo de tempo,
em s.
Os
resultados
do
coeficiente
de
permeabilidade obtidos nos ensaios realizados
são apresentados na Tabela 2, onde se observa
os parâmetros utilizados no cálculo do
coeficiente de permeabilidade.
Tabela 2 Ensaios de permeabilidade de carga variável
Prof.
d
D
L
K
(m)
(cm)
(cm)
(cm)
(cm/s)
PZ101
1,68
1
10
50
1,08 x 10-2
PZ102
2,00
1
10
50
3,02 x 10-3
PZ103
1,90
1
10
50
3,80 x 10-3
PZ104
2,10
1
10
50
1,78 x 10-2
PZ106
2,20
1
10
50
1,28 x 10-2
PZ108
1,25
1
10
50
7,94 x 10-3
PZ109
5,10
1
10
15
4,65 x 10-8
PZ110
5,30
1
10
15
4,01 x 10-5
PZ111
4,70
1
7,5
15
1,05 x 10-5
4
DISCUSSÕES
Na Tabela 3 são apresentados os percentuais
das frações areia, silte e argila, e a classificação
das parcelas de solo na qual os piezômetros
foram instalados.
Observa-se que os valores de permeabilidade
obtidos nos piezômetros instalados acima de 2
m de profundidade (PZ101, PZ102, PZ103,
PZ104, PZ106 e PZ108) não apresentaram
diferenças significativas, variando de 1,78 x
10-2 cm/s a 3,20 x 10-3 cm/s. Quando
comparados aos valores apresentados na
literatura (Tabela 4) os valores obtidos são
bastante elevados para a fração de solo
predominante.
Tabela 3 Ensaios de caracterização do solo nas
ensaiadas
Granulometria
Classificação
Areia Silte
PZ101 Argila silto-arenosa 22%
22%
PZ102 Argila silto-arenosa 27%
25%
PZ103
Areia argilosa
51%
3%
PZ104
Areia argilosa
47%
14%
PZ106 Argila silto-arenosa 29%
29%
PZ108
Areia argilosa
58%
5%
PZ109
Argila arenosa
35%
13%
PZ110
Argila arenosa
31%
9%
PZ111
Areia argilosa
67%
6%
camadas
Argila
56%
48%
36%
39%
42%
37%
52%
60%
27%
Tabela 4 Alguns valores típicos de coeficiente de
permeabilidade segundo Pinto (2000)
Argilas
< 10-6 cm/s
Siltes
10-3 – 10-6 cm/s
Areias argilosas
10-4 cm/s
Areias finas
10-2 cm/s
Areias médias
10-1 cm/s
Areias grossas
1 cm/s
Já os resultados dos ensaios com os
piezômetros instalados abaixo de 4 m de
profundidade (PZ109, PZ110 e PZ111), pode-se
verificar valores bem baixos, abaixo de 4,00 x
10-5 cm/s, chegando a 4,65 x 10-8 cm/s (valores
calculados com a Equação 1).
Como pode ser constatada, confrontando a
Tabela 2 com a Tabela 3, a distribuição
granulométrica pouco interferiu para os casos
estudados. Os elevados valores de k e a
pequena diferença dos valores de coeficiente de
permeabilidade obtidos, pode ser atribuída,
principalmente nos casos em que os
piezômetros estão instalados próximos a
superfície do terreno, a compacidade ou peso
específico aparente na parcela de solo em que
os piezômetros foram instalados (estrutura,
índice de vazios etc). Deve-se mencionar ainda
que em investigações realizadas nas
proximidades da área de estudo (FANTINATTI
NT. et al., 2006), observou-se em vários pontos
de coleta de amostra teor de matéria orgânica
bastante elevado e solo bem fofo, tendo em
vista os poços situarem-se na área de inundação
da bacia hidrográfica em questão. Outro aspecto
importante que deve ser levado em
consideração é que a área em que esses
piezômetros estão instalados, possivelmente
tenha sido utilizada como área de descarte de
resíduos sólidos, podendo estar interferindo nos
valores de permeabilidade medidos.
Já os valores dos coeficientes de
permeabilidade obtidos com os piezômetros
PZ109
e
PZ110,
instalados
com
aproximadamente a mesma profundidade (em
torno de 5m de profundidade), porém com
distância superior a 500m um do outro, sugerem
que a diferença pode ser atribuída a diferente
mineralogia e/ou peso específico do solo.
5
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Considerando os dados obtidos, observa-se que
os piezômetros instalados em profundidade
maiores apresentaram valores de coeficiente de
permeabilidade bastante baixos chegando à
ordem de grandeza de 10-8 cm/s.
Os resultados obtidos com piezômetros
instalados próximos à superfície resultaram em
valores muito elevados, discordantes da
literatura quando comparado somente com o
percentual das frações de solo.
Na área em questão, a camada de solo abaixo
de 5 m de profundidade tem funcionado como
uma barreira natural de fluxo, tendo em vista os
valores de permeabilidade serem bem
inferiores. Desta forma o fluxo predominante
deve ser o horizontal.
AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de registrar os seus
agradecimentos a FAPERJ pelo apoio
financeiro.
REFERÊNCIAS
Fantinatti Nt., F.P.; Tibana, S.; Almeida, F.T.; Santos Jr.,
E.L.; Pessanha, A.O.; Vicente, N.O. e Campos, F.S.
(2006) Estudo da Dinâmica de Fluxo Subterrâneo da
Área de Disposição Final de Resíduos da Cidade de
Campos dos Goytacazes/RJ, XIII COBRAMSEG
Hvroslev, M. J. (1949) Time lag in the observation of
ground-water levels and pressures, U.S Army Waterways Experiment Station, Vicksburg, Miss
Lambe, T.W. e Whitman, R.V. (1976) Mecânica de
Suelos, Instituto Tecnológico de Massachusetts,
México: Editorial Limusa.
Oliveira, A.M. e Corrêa Filho, D. (1996) Ensaios de
Permeabilidade em Solos – Orientação para sua
Execução no campo. ABGE – Associação Brasileira
de Geologia de Engenharia, São Paulo (3ª Edição
Revisada)
Olson, R.E.; Daniel, D.E. (1981) “Measurement of the
Hydraulic Conductivity of Fine-Grained Soils”,
Permeability
and
Groundwater
Contaminant
Transport, ASTM STP 746, T.F. Zimmie and C.O.
Riggs, Eds., American Society for Testing and
Materials, pp. 18-64.
Pinto, C. S. (2000) Curso básico de mecânica dos solos
em 16 aulas. São Paulo: Editora Oficina de textos.