XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental
XI-012 - A CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA DE UM SOLO ARENOSO
DETERMINADA A PARTIR DE ENSAIOS DE CAMPO E DE LABORATÓRIO
Heraldo Luiz Giacheti(1)
Professor Assistente Doutor da FE-Unesp/Bauru. Engenheiro Civil pela Unesp/Ilha
Solteira. Mestre e Doutor em Geotecnia pela USP-São Carlos. Coordenador do Grupo de
Pesquisa em Geotecnia de Solos Tropicais onde trabalha com investigação geoambiental.
Cláudio Vidrih Ferreira
Professor Assistente Doutor da FE-Unesp/Bauru. Engenheiro Civil pela Unesp/Bauru.
Mestre e Doutor em Geotecnia pela USP-São Carlos. Desenvolve pesquisa em investigação
geotécnica e comportamento de fundações em solos tropicais.
Ademar da Silva Lobo
Professor Assistente Doutor da FE-Unesp/Bauru. Engenheiro Civil pela Unesp/Bauru. Mestre em Geotecnia
Ohio State University-USA. Doutor em Geotecnia pela USP-São Carlos. Desenvolve pesquisa sobre
comportamento solos tropicais com ênfase a problemas de fundações.
Marcelo Eduardo Moimaz Marques
Mestrando do Curso de Pós-Graduação em Engenharia Industrial da FE-Unesp/Bauru. Engenheiro Civil pela
Faculdade de Engenharia de S.J. Rio Preto e de Segurança do Trabalho pela Unesp/Bauru. Desenvolve
pesquisa em investigação geoambiental de solos tropicais.
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RESUMO
O trabalho apresenta resultados de ensaios de infiltração através de cova cilíndrica, escavada com emprego de
trado manual, realizados em duas áreas do município de Bauru, onde ocorre um perfil de solo arenoso,
residual de arenito, típico daquele existente em grande parte do interior de São Paulo. Os resultados dos
ensaios realizados nessas duas áreas são discutidos e comparados entre si. No campo experimental da UnespBauru, uma das áreas onde foram realizados os ensaios de infiltração, um extenso e detalhado programa de
investigação geotécnica foi realizado com retirada de amostras deformadas e indeformadas, de metro em
metro. Assim, também foi possível realizar ensaios de permeabilidade a carga variável em laboratório. Estes
ensaios permitiram a determinação do coeficiente de permeabilidade assim como o estudo de fatores que
afetam esse parâmetro. Os resultados dos ensaios de infiltração e de permeabilidade são apresentados e
discutidos com o intuito de fornecer valores desses parâmetros, necessários em projeto de sumidouros.
Discutem-se vantagens e limitações das técnicas de ensaio de campo e laboratório para determinação da
condutividade hidráulica dos solos baseado nos resultados aqui apresentados.
PALAVRAS-CHAVE: Geotecnia Ambiental, Ensaios de Laboratório, Ensaios de Campo, Condutividade
Hidráulica, Solos Tropicais.
INTRODUÇÃO
Devido a crescente preocupação com a questão ambiental, as áreas de disposição de resíduos sólidos e
líquidos têm merecido especial atenção por parte dos órgãos públicos e instituições de pesquisa relacionados
ao meio ambiente, no sentido de avaliar o nível de poluição causado pelos mesmos e procurar estabelecer
procedimentos para minimizar seus impactos nocivos. Dentro desse contexto, a geofísica tem se mostrado
uma das principais ferramentas para a caracterização geoambiental do subsolo. Entretanto, para atender
todas as necessidades de um bom programa de investigação e caracterização do subsolo, é necessário a
utilização de algumas técnicas invasivas que permitem amostragem do solo e/ou a realização de ensaios no
próprio campo.
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O solo é constituído de uma fase sólida, que forma o esqueleto do solo, tendo seus vazios preenchidos com
água e/ou ar. Nos solos granulares, as forças interpartículas são pequenas e a água pode fluir livremente pelos
vazios do solo. Nos solos finos, as forças interpartículas são de grande intensidade e parte da água contida no
solo forma uma película ao redor das partículas denominada água adsorvida, que não se movimenta. Apenas
parte da água contida no solo, chamada água livre, consegue se movimentar através dos vazios pela ação de
forças gravitacionais.
Essa movimentação de água livre pelos vazios do solo é chamada de condutividade hidráulica do solo e
constitui-se num dos principais parâmetros para um bom programa de investigação e caracterização
geoambiental do subsolo. A condutividade hidráulica pode ser entendida como a maior ou menor facilidade
que um fluído encontra para percolar através de um maciço.
Esse escoamento d’água nos vazios do solo se dá no regime laminar, onde a velocidade do fluxo é inferior a
uma velocidade crítica, onde a viscosidade do fluido prevalece sobre a tendência de turbulência. A lei de
Darcy é utilizada na solução de problemas de percolação no solo e é expressa por:
Q= k . i . A
(1)
onde v é a vazão d’água através do solo, k é o coeficiente de permeabilidade, i é o gradiente hidráulico e A é
a seção transversal do solo.
O atrito entre água e sólido resultante da viscosidade da água acaba provocando forças de arrasto na direção do
fluxo, denominadas forças de percolação. Essa força de percolação acaba sendo responsável por inúmeros problemas
geotécnicos, principalmente de instabilidade de taludes e de encostas, quando a direção do fluxo se dá praticamente
paralela a superfície do solo. Problemas de escorregamentos trazem conseqüências ambientais desastrosas, além de
grandes prejuízos materiais e sociais em épocas de grande precipitação pluviométrica.
Os coeficientes de permeabilidade e de infiltração são índices que permitem quantificar a maior ou a menor
dificuldade que o solo se opõe ao fluxo da água através dos seus poros. A determinação desses parâmetros
pode ser feita, tanto através de ensaios de laboratório, como através de ensaios in situ.
A realização de um programa de ensaios em laboratório para obtenção de parâmetros de projeto, apresenta
como principal vantagem o controle das condições do ensaio, permitindo a realização de uma série de
simulações. Entretanto, a qualidade dos resultados de ensaios laboratoriais, realizados em amostras
indeformadas, depende muito da qualidade e representatividade dessas amostras. Dependendo do tipo de
ensaio, o efeito da perturbação provocado pelo processo de amostragem pode ser significativo. Além disso,
muitas vezes, os resultados desses ensaios não retratam com fidelidade, algumas das características do
maciço, fundamentais para a previsão do seu comportamento.
O principal objetivo deste trabalho é fornecer informações úteis a futuros projetos, a partir da indicação de
valores representativos de parâmetros hidráulicos de solos arenosos, típicos da região de Bauru, e
representativos de uma grande área do Estado de São Paulo. Estes parâmetros foram determinados a partir de
resultados de ensaios de campo e laboratório, realizados em dois perfis de solo típicos dessa região. Pretendese ainda discutir as vantagens e limitações dessas técnicas de ensaios baseado nos resultados apresentados.
SOLO ESTUDADO
O solo estudado é típico daquele que ocorre na região de Bauru. Esta cidade esta localizada na parte central
do Estado de São Paulo, no Planalto Ocidental Paulista. Na figura 1 á apresentada a localização da cidade de
Bauru. Nessa região ocorrem sedimentos e solos residuais de arenito do Grupo Bauru. O solo estudado é uma
areia fina pouco argilosa vermelha, onde cerca de 75% de sua composição granulométrica é pertence a fração
areia. Este solo é classificado pedologicamente como um latosolo vermelho escuro à amarelo. Na
classificação unificada é um solo do Grupo SM-SC e na HBR é um o solo do Grupo A-2-4. Uma
caracterização geotécnica detalhada do solo típico que ocorre nessa região pode ser obtida no trabalho de
Ferreira et al. (1991).
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Figura 1: Localização da cidade de Bauru onde foram realizados os ensaios.
Estado de São Paulo
Equador
Brasil
Bauru
Trópico de
Capricórnio
São Paulo
ENSAIOS REALIZADOS
Próximo ao Hospital Lauro de Souza Lima, localizado na Rodovia João Ribeiro de Barros, SP 225, km 226,
foram realizados por Ferreira et al. (1994), ensaios de infiltração no solo através de cava cilíndrica, escavada
com o emprego de trado manual, de acordo com os procedimentos e recomendações da NBR 7229/82. As
determinações foram feitas de metro em metro, até 8 m de profundidade. O local não dispõe de rede pública
de água e esgoto e os resultados desses ensaios possibilitaram a determinação do coeficiente de infiltração
(Ci), que foi utilizado no dimensionamento de sumidouros das fossas sépticas do Hospital da Unimed de
Bauru.
Posteriormente, no Campo Experimental da Unesp-Bauru, além da realização de ensaios de infiltração
através de cava cilíndrica, um extenso e detalhado programa de investigação geotécnica foi realizado com
retirada de amostras deformadas e indeformadas, de metro em metro. Em laboratório, foram realizados
ensaios de permeabilidade utilizando-se a técnica da carga variável com fluxo d’água descendente, sob um
gradiente hidráulico igual a 10. Estes ensaios permitiram a determinação do coeficiente de permeabilidade,
assim como uma avaliação de fatores que afetam esse parâmetro.
O ENSAIO DE INFILTRAÇÃO ATRAVÉS DE COVA CILÍNDRICA
O emprego de um furo a trado na determinação da capacidade de absorção do solo elimina a necessidade da
escavação de valas, principalmente quando há necessidade de atingir níveis mais profundos.
Os ensaios de infiltração foram realizados utilizando cova cilíndrica e seguindo as prescrições da NBR
7229/82. Segundo essa norma sumidouro é um poço destinado a receber o efluente da fossa séptica e facilitar
a sua infiltração subterrânea. A disposição através de sumidouros pode ser feita quando o solo for
suficientemente permeável e quando as águas subterrâneas não vierem a ser poluídas por estes efluentes. O
dimensionamento de sumidouros é feito a partir da determinação da capacidade de absorção do solo.
Em cada uma das áreas estudas, Unimed e Campo Experimental da Unesp-Bauru, três locais foram
selecionados e os furos foram abertos com emprego de trado manual de 0.30 m de diâmetro. Para realização
desses ensaios, foi construído um dispositivo composto por uma bóia utilizando uma garrafa plástica de
refrigerante de 2 litros e uma haste de alumínio unida a ela através de um tarugo de madeira. Na figura 2 é
apresentado um desenho esquemático do ensaio de infiltração.
Para manter a verticalidade da haste durante o ensaio, empregou-se um tubo de PVC de 40 mm de diâmetro e
2,5 m de comprimento, que serviu de tubo guia, preso a uma madeira compensada em forma de H (Figura 3).
Antes de iniciar o ensaio, foi feita a determinação da posição do nível d’água para que a bóia começasse a
flutuar na água. Para fazer a leitura da posição do nível d’água, foi colado papel milimetrado na haste, antes
do início do ensaio.
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Figura 2. Desenho esquemático do ensaio de infiltração em cova cilíndrica (in: ABNT NBR 7729/82).
(1)
Segmentos de tubos de ferro galvanizado;
(2)
Trado propriamente dito;
(3)
Bóia tipo “isopor”;
(4)
Haste cilíndrica graduada de plástico ou alumínio;
(5)
Tubo guia;
(6)
Placa de madeira para haste do tubo guia;
Obs : Dimensões em centímetros.
Figura 3. Vista do ensaio de infiltração sendo realizado no Campo Experimental da Unesp-Bauru.
O ENSAIO DE PERMEABILIDADE A CARGA VARIÁVEL
Em solos que apresentam condutividade hidráulica intermediária a baixa, isto é, em siltes e argilas, o
procedimento recomendado é o ensaio à carga variável, onde um corpo de prova de solo é submetido a um
gradiente hidráulico que diminui durante o ensaio.
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Uma descrição detalhada desse ensaio e dos diversos fatores que interfem nos resultados pode ser obtida em
Head (1981). Nesse ensaio utiliza-se água destilada e deaerada, que é percolada através do corpo de prova
para sua saturação. Em seguida, determina-se a quantidade de água que flui através do corpo de prova
medindo-se o intervalo de tempo para que ocorra a variação do nível d’água. Tubos de diferentes diâmetros
estão disponíveis para que se possa escolher o mais adequado para cada tipo de solo. O ensaio a carga
variável pode ser feito em câmara triaxiais, edômetros ou em permeâmetros, este último foi o utilizado nos
ensaios realizados.
Os corpos de prova foram talhados a partir de blocos cúbicos de 250 mm de lado, retirados de metro em
metro, através de poço exploratório aberto no Campo Experimental da Unesp-Bauru. Utilizou-se de berço,
torno e espátula para talhar os corpos de prova que tiveram cerca de 50 mm de diâmetro por 120 mm de
altura. De cada corpo de prova ensaiado, foram feitas três determinações do teor de umidade natural. Após
determinação da geometria e da massa do corpo de prova, foi colocada parafina na superfície lateral do corpo
de prova. Em seguida, os corpos de prova foram colocados no interior de um permeâmetro de aço, a fim de
garantir que a percolação ocorresse exclusivamente na direção vertical, do topo para a base. Na figura 4 temse um desenho esquemático do recurso utilizado para instalação do corpo de prova no permeâmetro.
Figura 4. Corte esquemático de um permeâmetro.
areia
parafina
bentonita
corpo de prova
A saturação do corpo de prova foi feita mediante circulação d’água durante 48 horas, cronometrando-se, a
partir daí, o tempo gasto para que o menisco d’água diminuísse do nível superior até o nível inferior, de
modo que o gradiente hidráulico médio fosse igual a 10. Com os valores dos tempos obtidos, calculou-se o
coeficiente de permeabilidade (k) utilizando-se a lei de Darcy (equação 1) e, esse valor foi corrigido para
temperatura equivalente a 20o C (k20).
Todos os ensaios foram realizados utilizando-se de um painel de permeabilidade construído no Laboratório
de Mecânica dos Solos do Departamento de Engenharia Civil da Unesp-Bauru, que pode ser visualizado na
Figura 5.
RESULTADO DOS ENSAIOS
Os resultados dos ensaios de permeabilidade realizados em amostras indeformadas do Campo Experimental
da Unesp-Bauru são apresentados na Figura 6. A variação do coeficiente de permeabilidade (K20) com a
profundidade é apresentado na Figura 7. Também na Figura 7 são apresentados os resultados dos ensaios de
infiltração realizados nas duas áreas estudadas. Tem-se ainda, nessa figura, o valor médio do índice de
resistência a penetração (N) de três sondagem de simples reconhecimento (SPT) realizadas nesse Campo
Experimental, assim como os valores médios dos índices físicos das amostras indeformadas utilizadas nos
ensaios de permeabilidade em laboratório.
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Figura 5. Painel de permeabilidade utilizado nos ensaios de laboratório.
ANÁLISE DOS RESULTADOS
Os resultados dos ensaios de permeabilidade apresentados na Figura 6 mostram uma redução do valor do
coeficiente de permeabilidade (K20) com o tempo de ensaio, especialmente para as amostras superficiais e
mais porosas. Observa-se também uma tendência de K20 assumir um valor praticamente constante a partir de
cerca de dois dias de ensaio. O uso de gradientes elevados (i=10) pode ter contribuído com uma maior
migração de partículas de solo, resultando na obstrução de macro-poros. No entanto, também tem sido
constatada, para esse solo, uma redução na permeabilidade mesmo quando se utiliza gradientes menores.
Na Figura 7, constatou-se que o coeficiente de permeabilidade determinado em laboratório decresce com a
profundidade. A faixa de variação deste parâmetro está compreendida entre 1,3 x 10-3 e 1,2 x 10-4 cm/s, com
valor médio de 5,3 x 10-4 cm/s. Estes valores são consistentes com o tipo de solo estudado. A redução da
permeabilidade com a profundidade, observado nessa figura, se deve a redução do índice de vazios desse solo.
Observa-se ainda na Figura 7, que os coeficientes de infiltração (Ci) apresentaram valores próximos nas duas
áreas estudadas (Unimed e Campo Experimental de Unesp-Bauru) e também decresceram com a
profundidade, variando de 128 a 55 l/m2 x dia, com um valor médio de 75 l/m2 x dia. Este fato também está
associado à redução do índice de vazios com a profundidade.
Apesar do número reduzido de dados, apresenta-se a seguir, a correlação obtida entre os coeficientes de
permeabilidade e de infiltração para o solo do Campo Experimental da Unesp-Bauru.
Ci [l/m2 x dia ] = 48,7 + 50430 x k20 [cm/s]
R2= 0,925
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Figura 6: Variação de k20 com tempo, determinados em ensaios de permeabilidade.
4.0e-3
1m
2m
3m
4m
5m
6m
7m
8m
9m
3.5e-3
K20 (cm/s)
3.0e-3
2.5e-3
2.0e-3
1.5e-3
1.0e-3
5.0e-4
0.0
0
10
20
30
40
50
60
70
Tempo (horas)
Figura 7: Síntese dos resultados de ensaios de campo e de laboratório.
Perfil
N
Índice de Vazios Massa Específica
(g/cm3)
e
0.0
0.5
1.01.2
1.6
2.0 0
Ci
(l/m2x dia)
50 100 150 0
k20
(cm/s)
1x10-3 2x10-3
0
3
e
2
Areia Fina
pouco
argilosa
marron
avermelhada
Profundidade (m)
ρnat
2
4
Unesp
3
4
Unimed
4
(SM - SC)
(LA')
6
6
7
8
Residual
de
Arenito
7
8
10
Sr
ρd
8
0
50
100
Grau de
Saturação, Sr (%)
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CONSIDERAÇÕES FINAIS
• O coeficiente de permeabilidade do solo estudado, determinado em laboratório, diminuiu com o tempo de
ensaio. Acredita-se que isto se deve a uma migração de partículas finas de solo, que provocou uma
obstrução nos macro-poros, fato ocorrido especialmente para amostras de solo mais superficial.
• O coeficiente de infiltração (Ci) decresce com a profundidade tendo-se observado, para as duas áreas
estudadas, valores muito próximos. Assim como o coeficiente de infiltração, o coeficiente de
permeabilidade diminuiu com a profundidade. Este fato está associado à redução do índice de vazios com
a profundidade, o qual se deve ao processo de evolução pedogenética de um maciço de solo tropical.
• A realização do ensaio de permeabilidade com carga variável em laboratório, é mais trabalhoso e necessita
de amostras indeformadas de qualidade e representativas do maciço, o que aumenta seu custo e tempo
para obtenção dos resultados. A realização de ensaio de infiltração in situ é mais fácil e rápido de se
realizar e, para o estudo em tela, apresentou resultados consistentes com os obtidos em laboratório.
• Novas técnicas para realização de ensaios para determinação da condutividade hidráulica in situ estão
disponíveis, por exemplo aqueles que utilizam amostradores especiais para água, que tornam os ensaios
de campo mais rápidos e menos trabalhosos do que a técnica do ensaio de infiltração através de cova
cilíndrica. Estas técnicas mais modernas merecem serem aplicadas e seu desempenho avaliado para
emprego em perfis de solos tropicais.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao ex-luno da FE-Unesp, Fabio H. H. Yano e aos técnicos de laboratório do
Departamento de Engenharia Civil da FE-Unesp, pela realização dos ensaios de campo e laboratório aqui
apresentados.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1.
2.
3.
4.
ABNT NBR 7229. Construção e instalação de fossas sépticas e disposição dos efluentes finais. Rio de
Janeiro/RJ, Março de 1982, 37 p.
FERREIRA, C.V.; ALBIEIRO, J.H.; LOBO, A.S.: Características geotécnicas do solo residual de
arenito da cidade de Bauru - SP . In: Seminário de Engenharia de Fundações Especiais, 2, São Paulo,
1991. Anais..., São Paulo, ABEF/ABMS, 1991, V.1, p. 133-142.
FERREIRA, C.V; LOBO, A.S.; CAVAGUTI,N. (1994): Variação do coeficiente de infiltração de um
solo residual de arenito. In: Simpósio sobre solos não saturados,2, Recife - PE, AMSF - UFPE/ABMS NE, 1994, pp 197 - 201.
HEAD, K. (1981): Manual of Soil Laboratory Testing. Chapter 10. Permeability and Erodibility Tests,
Pentech Press, London, V. II, pp. 398-468.
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