21º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
III-133 - DETERMINAÇÄO DA PERMEABILIDADE IN SITU EM ATERROS DE
RESÌDUOS SÒLIDOS
Claudio Fernando Mahler (1)
Engenheiro Civil e Psicologo UFRJ. Doutor em Engenharia Civil pela COPPE/UFRJ, Pós
Doutorado, Instituto de Pesquisa de Sistemas Ambientais, Universidade de Osnabrück,
Alemanha, Coordenador do Projeto de Pré-tratamento de Lixo junto à Universidade de
Braunschweig e Min. Cien. Alemäo, Professor e Consultor pela COPPE/UFRJ.
Adriana Briggs de Aguiar
Engenheira Civl, M.Sc, UFRJ.
FOTO
NÃO
DISPONÍVEL
Endereço(1): Caixa Postal 68506 – Programa de Engenharia Civil, COPPE/UFRJ; Centro de
Tecnologia – Cidade Universitária, Rio de Janeiro - RJ - CEP: 21945-970 - Brasil - Tel: (21) 9616-2968 - e-mail:
[email protected]
RESUMO
Modernamente tem se empregado de forma crescente em projetos de aterros de lixo a determinaçäo do balanço
hídrico do local. Sua utilizaçäo possibilita projetos mais econômicos e adequados à regiäo em estudo. Para sua
determinaçäo, além do conhecimento das condiçöes meteorológicas do local de implantaçäo do aterro, säo
necessárias as características de umidade do lixo e sua permeabilidade, além de uma pevisäo da quantidade de
chorume a ser produzido.
Assim, o conhecimento da permeabilidade em liners, cobertura de aterros de lixo e no próprio lixo é de
extrema importância na determinaçäo do balanço hídrico do local.
A determinaçäo da permeabilidade através de ensaios de laboratório tem a desvantagem da coleta da amostra
no campo, transporte e preparaçäo em laboratório prejudicarem a representatividade da amostra e dos
resultados obtidos, além do que no caso do lixo própriamente dito, a retirada de amostras e colocaçäo em
laboratório ser mais onerosa e complexa do que um procedimento geotécnico habitual, dadas as características
especiais do material, inclusive os cuidados especiais quando ao manuseio do material por questöes de
segurança e higiene.
Utlizou-se no presente trabalho o Permeâmetro Guelph, que se mostrou extremamente prático para
determinaçäo em campo da permeabilidade. Foram realizados ensaios em dois aterros de lixo próximos à
cidade do Rio de Janeiro e duas leiras de lixo pré-tratado mecânica biológicamente.
Uma descriçäo do equipamento é apresentada no presente trabalho, bem como alguns dos resultados obtidos.
PALAVRAS-CHAVE: Resíduos Sólidos, Permeabilidade, Ensaios in Situ, Aterros de Lixo, Pré-tratamento
mecânico biológico.
INTRODUÇÃO
Inúmeros problemas de geotecnia ambiental podem ser estudados se as características do fluxo da água no solo
não saturado são conhecidas. Estes problemas vão desde a estabilidade de encostas até o projeto de coberturas
e liners de aterros sanitários.
Dentre estas características de fluxo está o coeficiente de permeabilidade (K) ou condutividade hidráulica, que
é a taxa de infiltração de um fluido em um meio poroso. Segundo Stephens (1996), este coeficiente, na zona
não saturada, varia em função das propriedades do meio poroso, das características do fluido e do teor de
umidade volumétrica do material. Quanto maior a umidade, maior a condutividade hidráulica, pois a área útil
condutora de água vai se tornando menor à medida que o teor de água decresce. É, então, fácil constatar que na
zona saturada, varia somente em função das propriedades do meio poroso e das características do fluido.
Muitos métodos de ensaios para determinação do coeficiente de permeabilidade têm sido desenvolvidos e
aperfeiçoados. Se busca a redução nos erros, a redução dos custos dos ensaios e o aperfeiçoamento dos
aparelhos de medição em campo, tornando-os mais práticos e de fácil utilização.
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No caso de aterros de lixo o conhecimento da permeabilidade possibilita o desenvolvimento de projetos mais
econômicos e adequados, bem como melhores soluçöes no que se refere à recuperaçäo e remediaçäo de aterros
existentes, sendo extremamente importante aos projetos de tratamento de chorume, bem como sistemas de
drenagem de líquidos e gases.
Abreu (2000) apresenta um valores de permeabilidade determinados por diversas formas e autores, bem como
em locais diferentes podendo-se observar que a permeabilidade em aterros de lixo varia aproximadamente
entre 10-4 a 10-8 m/s. Vale lembrar que a permeabilidade é funçäo do material e da forma de compactaçäo
empregada.
O presente trabalho apresenta os conceitos básicos da determinaçäo da permeabilidade em meios porosos por
diversos procedimentos, o equipamento Guelph utilizado neste trabalho e os resultados obtidos em dois aterros
de lixo próximos ao Rio de Janeiro e leiras de pré-tratamento mecânico biológico de resíduos domiciliares
urbanos.
TIPOS DE ENSAIO DE PERMEABILIDADE
No manual de ensaios da ABCP (1992), foi proposta a seguinte classificação para ensaios de campo:
Tabela 1. Formas de realizaçäo de ensaios de campo segundo a ABCP (1992)
MANEIRA DE
PRESSÃO
DENOMINAÇÃO
MÉTODO DE
REALIZAÇAO
APLICADA
DOS ENSAIOS
PROSPECÇÃO
Carga
Infiltração
Sondagens, poços e
Nível constante
cavas
Descarga
Bombeamento
Sondagens e poços
Nível variável
Carga
Descarga
Rebaixamento
Recuperação
Sondagens e poços
Sondagens e poços
Apesar de um pouco simplista, esta classificação dá idéia dos vários métodos existentes. Alguns dos ensaios
mais usados para a determinação da condutividade hidráulica dos solos serão a seguir detalhados.
A) ENSAIOS DE CARGA CONSTANTE OU VARIÁVEL EM LABORATÓRIO
A.1) COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE EM MEIO SATURADO
Nestes ensaios, a coleta de amostra de solo no campo tem que ser feita sob condições controladas,
preferencialmente amostra indeformada, que pode ser submetida a ensaios de carga constante ou variável. Em
ambos os casos, a amostra é colocada em um cilindro de comprimento L e área transversal A e fechada entre
duas placas porosas. No ensaio de carga constante, a amostra é submetida a uma carga constante H até que se
atinja a saturação e que o fluxo de saída Q se torne constante. A permeabilidade é calculada através da
K=
QL
AH
equação proposta por Darcy:
No permeâmetro de carga variável , é utilizada a diferença entre as cargas em um determinado intervalo de
tempo. A equação para o cálculo da condutividade hidráulica é a seguinte:
K=
aL  H 0 

ln 
At  H1 
a = área da seção transversal do tubo onde a variação de carga é medida
H0 = carga inicial
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H1 = carga final
t = intervalo de tempo
A.2) COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE EM MEIO NÃO SATURADO
Os métodos de laboratório para estimar a condutividade hidráulica não saturada podem ser agrupados em duas
categorias: métodos de fluxo constante e de fluxo transiente.
No primeiro, a amostra de solo é submetida a um fluxo de carga constante e a permeabilidade estará associada
à quantidade de água do meio e à carga de pressão estabelecida na amostra, mensurada através de tensiômetros
instalados em dois pontos da coluna de água.
B) ENSAIOS IN SITU
B.1) POÇOS
Neste ensaio, muito utilizado pela Geologia de Engenharia, obtém-se a condutividade hidráulica saturada.
Podem ser realizados tanto com carga constante quanto com carga variável e permitem trabalhar com
infiltração ou bombeamento de água.
Para aqüífero freático (solos granulares), os ensaios para obtenção da condutividade hidráulica não saturada
têm duas fases, a fase transiente, enquanto o NA é rebaixado e a de regime estacionário, quando a vazão se
torna constante. Na fase transiente a interpretação dos resultados é mais difícil e na de regime estacionário,
usamos duas hipóteses de Dupuit:
•
•
o gradiente hidráulico é constante numa vertical;
o gradiente hidráulico é dado pela inclinação da superfície livre (i ≅ dz/dr).
O ensaio coloca em fluxo todo o aqüífero e quando Khoriz. ≠ Kvert, o ensaio fornece Khoriz.
Para aqüífero confinado, podemos usar o ensaio de bombeamento.
B.2) HVORSLEV
Outro ensaio que determina a permeabilidade de meios saturados in situ, utiliza o método de Hvorslev, no qual
são usados piezômetros instalados até a profundidade ensaiada. Da mesma forma que o método anterior, este
ensaio pode ser realizado através de adição ou remoção de água do piezômetro. A variação do nível d’água em
determinado intervalo de tempo é registrada até que se atinja o estado de equilíbrio.
B.3) INFILTRÔMETRO DE ANEL DUPLO
Este infiltrômetro tem as seguintes características: dois cilindros metálicos de 3mm de espessura e 30cm de
altura, com diâmetros de 30 e 50cm, com uma das bordas biseladas para facilitar a penetração no solo. Os
cilindros são cravados a percussão (Fabian, A. e Ottoni Filho, T. B., 1997). Para a realização do ensaio,
coloca-se água no cilindro interno até que se forme uma lâmina de 7,5cm de altura e entre os cilindros interno
e externo de 5cm. Com auxílio de uma régua graduada, lê-se o posicionamento do nível d’água aos 1, 2, 3, 4,
5, 10, 20, 30, 45, 60, 90 e 120 minutos e, se for preciso, continua-se a leitura em intervalos de 1 hora até que a
velocidade determinada de entrada de água no solo seja praticamente constante.
B.4) CÂMARA DE FLUXO
A Câmara de Fluxo é, basicamente, um cilindro metálico de aço inox, com 1mm de espessura, diâmetro de
80cm e altura de 80cm. Sua base possui um marial de aço-carbono para dar maior resistência à cravação.
A cravação ocorre por pressão exercida por macaco hidráulico de 10t e conta, também, com o auxílio de um
sistema de contra pesos e de uma mesa de cravação. A câmara é cravada a 70cm de profundidade e o ensaio
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de permeabilidade com a câmara de fluxo, é realizado seguindo-se as mesmas rotinas do infiltrômetro de anel
duplo.
B.5) PERFIL INSTANTÂNEO
É outro método para se obter a permeabilidade não saturada no campo. São instalados instrumentos no solo
para medição da carga de pressão e do conteúdo de água. Inicialmente este solo é submetido a uma taxa de
infiltração até que se alcance um regime estacionário. Depois de alcançado, interrompe-se a recarga, sendo
permitida a redistribuição da água dentro do solo. Este processo de redistribuição é acompanhado por medidas
periódicas de umidade que são utilizadas no cálculo da condutividade.
C) ENSAIO EM ROCHA – ENSAIO DE LUGEON:
Este ensaio permite obter uma informação quantitativa sobre a circulação da água em rochas fissuradas, com o
objetivo de julgar as possibilidades de consolidação por injeções.
Injeta-se num furo de sondagem feito por obturadores, água sob pressão constante. A pressão injetada (pm) é
controlada por um manômetro e a descarga calculada por um hidrômetro, obtendo-se um volume injetado num
certo intervalo de tempo. Quando pm for 10Kg/cm2 e a formação ensaiada absorver 1 litro por minuto por
metro de perfuração, a perda de água foi de uma unidade de Lugeon.
Realizam-se ciclos de carregamento e descarregamento, e em cada estágio a pressão é mantida por 5 a 10
minutos após o estabelecimento de um escoamento permanente. Traçamos, assim, uma curva descarga x
pressão que nos permite calcular, sob certas condições, uma estimativa do coeficiente de permeabilidade e a
permeabilidade de Lugeon. Abaixo a equaçäo para determinaçäo da pressäo efetiva:
pe = p m +
H pc
−
10 10
pe = pressão efetiva
pm = pressão manométrica
pc = pressão de carga na canalização
D) PERMEÂMETRO GUELPH
O Permeâmetro Guelph é um permeâmetro de furo e de carga constante que mede a condutividade hidráulica
saturada de campo acima do lençol freático.
É composto de uma garrafa de Mariotte que controla a carga constante de água dentro do furo, um tubo de
acrílico com uma régua graduada onde a água é introduzida e um tripé que permite adaptar o aparelho a
terrenos irregulares.
Após algum tempo, que dependerá, dentre outros fatores, da umidade antecedente do solo e da sua textura,
uma pequena área em torno do furo estará saturada e, então, o fluxo torna-se constante. Este valor de fluxo é
utilizado no cálculo da permeabilidade.
A recarga de água no furo está submetida a três tipos de fluxo: um de pressão radial ao longo das paredes e
dois verticais na base, um de pressão e outro gravitacional. Ao considerar a variação destes fluxos ao longo da
base e das paredes do furo, desenvolveu-se um método semi-analítico e numérico para a estimativa das
propriedades do solo (permeabilidade saturada e não saturada, soroptividade, potencial matricial e o parâmetro
α, que depende das propriedades do solo). Mas, para a aplicação destes métodos, algumas condições têm que
ser consideradas:
•
•
•
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Meio poroso rígido, homogêneo e isotrópico;
Fluxo em equilíbrio constante;
Domínio de fluxo em um semi-espaço infinito.
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Para os cálculos do coeficiente de permeabilidade, geralmente são feitos ensaios com duas cargas de pressão
K = G2Q2 − G1Q1
(H1 e H2). Com cada carga aplicada, se obtém as vazões (Q1 e Q2).
Onde
G1 =
H 2C1
π 2 H1 H 2 (H 2 − H1 ) + a 2 (H1C2 − H 2C1 )
G2 =
[
]
H 1C 2
π 2 H 1 H 2 (H 2 − H 1 ) + a 2 (H 1C 2 − H 2 C1 )
[
]
a = raio do buraco
C = parâmetro retirado do gráfico C x H/a
EXPERIÊNCIAS RECENTES COM O PERMEÂMETRO GUELPH
Foram feitas medições em dois supostos ou assim definidos liners em aterros de lixo em cidades próximas à
cidade do Rio de Janeiro. O procedimento buscava verificar as condiçöes de compactaçäo do material tido
como liner e suas características, através da medida de sua permeabilidade.
1O. CASO : SOLO TIPO ARENOSO
A cobertura construída deveria servir de base para compostagem e cobriu parte de um antigo depósito de lixo.
As amostras retiradas nas estacas 9 e 10 (pedregulhoso com areia grossa, média e fina, argiloso, cinza claro)
apresentaram um limite de liquidez de 56,6% e um Limite de Plasticidade de 24,2%. Plotando-se estes valores
na Carta de Plasticidade tem-se uma classificação entre argilas inorgânicas de baixa a média plasticidade até
argilas inorgânicas de alta plasticidade.
A amostra retirada próxima à estaca 9 apresentou um peso específico úmido de 1,949 g/cm3 e uma umidade
média de 17,58% enquanto a amostra retirada próxima à estaca 10 apresentou um peso específico úmido de
1,53 g/cm3 e uma umidade média de 6,5%. A densidade real dos grãos é de aproximadamente 2,637. As duas
amostras retiradas em campo ofereceram a mesma resistência/dificuldade para coleta, valendo observar a
diferença elevada apresentada pelas duas seja quanto ao peso específico úmido apresentado, bem como quanto
à umidade.
A amostra retirada na estaca 2 (argila siltosa com areia) apresentou um limite de liquidez de 36,9% e um
Limite de Plasticidade de 20,1%. Apresentou umidade média de 8,91% e densidade real dos grãos de 2,603.
Na estaca 3, a amostra retirada (argila siltosa com areia) apresentou um limite de liquidez de 35,8% e um
Limite de Plasticidade de 17,0% a umidade média de 4,73% e a densidade real dos grãos de 2,576. Ambas as
amostras ( retiradas das estacas 2 e 3) podem ser classificadas como argilas inorgânicas de média plasticidade.
Na tabela abaixo apresentam-se as permeabilidades in situ determinadas com o uso do permeametro Guelph:
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Tabela 2: Permeabilidade com a profundidade em cobertura arenosa
PROFUNDIDADE (cm)
PERMEABILIDADE (cm/seg)
ESTACAS
2
15
3,2x10-4
2
30
1,0X10-4
9
20
6,5x10-5
10
20
5,9x10-5
10
40
2,5x10-4
Vale observar que a Espessura Média Camada de Argila Siltosa é de aproximadamente 25 cm e a de solo
pedregulhoso 50 cm. Esta camada de aterro de solo foi construída sobre um antigo depósito de lixo próximo
ao Rio de Janeiro.
2O CASO: SOLO COM CARACTERÍSTICAS MAIS ARGILOSAS
Também numa área de disposiçäo de resíduos sólidos próxima ao município do Rio de Janeiro buscou-se
determinar a permeabilidade in situ de uma suposta camada de liner e do lixo própriamente dito. Procurou-se
assim, através de sondagens in situ (Figura 1) localizar-se primeiramente a camada de um suposto liner que
fora construído na área, sobre uma camada de lixo e posteriormente coberta com lixo.
Foto 1. Sondagem em cobertura de um aterro de resíduos sólidos urbanos domiciliares
Na tabela abaixo säo apresentados os resultados da sondagem e a espessura da pretensa camada de liner.
Tabela 3. Espessura da camada de material de cobertura
Sondagem
Profundidade (m)
Espessura (cm)
SP-01
não foi encontrado material
SP01A
7,25
65
SP2 (*)
0
105
SP3
6,10
50
SP4
não foi encontrado material
SP04A
não foi encontrado material
SP04A-1
9,05
SP05
não foi encontrado material
SP05A
não foi encontrado material
SP05B
não foi encontrado material
SP6
3,15
58
82
(*) fora da região do projeto
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Cinco amostras indeformadas em moldes de 10 cm de diâmetro por 20 cm. de altura foram retirados no
campo, próximo aos locais de sondagem, além de material solto, que foram conduzidos ao laboratório para
caracterização do solo. O teor de umidade médio das amostras coletadas foi de aproximadamente 24 % e o
peso específico seco foi de 1,46 g/cm3. A densidade real dos grãos é de aproximadamente 2,707.
Os ensaios de plasticidade indicaram um Limite de Liquidez de 112,5% e um Limite de Plasticidade de 32,9%
com um Índice de Plasticidade de 80,21 %. Plotando-se estes valores na Carta de Plasticidade tem-se uma
classificação argilas inorgânicas de alta plasticidade, argilas gordas. Contudo a fração de material argiloso é
pequena. Observou-se ainda através de ensaios de laboratório, em ensaios de densidade que este material é
expansivo, o que pode ser um indicador de argilo - minerais expansivos como a montmorilonita, o que
explicaria os altos valores determinados nos limites de Atterberg.
Como o material empregado para a construçäo do liner foi encontrado em local näo distante das sondagens
foram realizados ensaios para a determinaçäo da permeabilidade in situ do mesmo.
A permeabilidade média determinada in situ a uma profundidade da cobertura de 40 cm foi de 2,2 x10-4
cm/seg .
3O CASO: ENSAIOS EM LEIRAS EXPERIMENTAIS COM LIXO PRÉ-TRATADO
MECANICAMENTE
As leiras experimentais constituem-se de dois aterros de lixo de aproximadamente 800 metros quadrados de
área por 2,5 metros de altura, construídos sobre palettes de madeira, com lixo mecanicamente tratado através
de um processo de minimizaçäo e homogeneizaçäo, com molhagem controlada. Detalhes deste processo
podem ser vistos em relatórios da Fundaçäo COPPETEC (2000) e Costa (2001). O lixo pré-tratado foi coberto
com uma biofiltro de casca de eucalipto com uma espessura aproximada de 30 cm. Os ensaios de
determinaçäo da permeabilidade foram realizados à profundidade de 10, 20 e 35 cm, sendo a média de valores
de permeabilidade determinadas apresentadas na tabela abaixo:
Tabela 4. Valores médios de permeabilidade em leiras compostas de resíduos sólidos prétra-tados
mecânicamente
Profundidade
Leira 1
Leira 2
cm
Media (cm/s) Media(cm/s)
10
0,049
0,049
20
0,0441
0,0515
35
0,0515
0,039
À profundidade de 35 cm o ensaio é realizado no lixo pré-tratado, sendo que o valor obtido pode ser
considerado como característico do lixo quando sujeito a esta forma especial de pré-tratamento, considerandose logicamente as características dos resíduos ali depositadas.
Para estes casos, visto que o meio é heterogêneo, os cálculos utilizando mais de uma carga de pressão, nos
levam a resultados negativos. Para evitar isto, Elrick et al. (1989) propuseram que nos ensaios com
permeâmetro Guelph se utilizasse somente uma carga de pressão. A equação fica desta forma:
K=
CQs

 2πH 
2
2
 2πH + Cπa +  α * 



α* = parâmetro de acordo com o tamanho dos poros (Tabela 4)
O termo [2πH/α*] está relacionado com a capilaridade e quanto menor for H, menor será a influência de α*:
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Tabela 5. Valores de α segundo Elrick et al. (1989)
Tamanho médio de poros
Materiais argilosos compactados e estruturados
Materiais com grãos finos (argilosos) e não
estruturados
Argilas, areias fina e média
Solos com grãos graúdos e solos estruturados com
fissuras e macroporos.
α* (m-1)
1
4
12
36
CONCLUSÕES
Há uma enorme necessidade de aumento do conhecimento das características dos resíduos sólidos, de seu
comportamento ao longo do tempo, de forma a que se possam desenvolver soluçöes técnicas mais econômicas
e adequadas para a disposiçäo de resíduos, projetos de aterros de lixo e recuperaçäo de áreas degradadas pela
má disposiçäo dos resíduos.
O material lixo pode variar de bairro para bairro, de dia para dia da semana e de época para época do ano. Em
verdade ele vem variando enormemente ao longo do tempo. Antes do ano 1965 näo havia plásticos no lixo
brasileiro, sendo que sua inclusäo surge aproximadamente ao final dos Anos Sessenta. No presente sua
participaçäo na massa do lixo, seja em peso, seja em volume é extremamente significativa e näo pode deixar
de ser considerada. Sua presença, maior ou menor, terá influência na massa do lixo e dependendo da
compactaçäo, também na permeabilidade. Na verdade, dada a heterogeneidade do lixo, todos os materiais
presentes, bem como a forma de compactaçäo väo influir mais ou menos na permeabilidade.
Muito embora a variaçäo dos valores de permeabilidade ser muito grande, pode-se perceber certa coerência
entre os mesmos. Os resultados obtidos com resíduos pré-tratados mecânicamente e homogeneizados
apresentaram um permeabilidade bastante elevada, näo só no bio-filtro de cobertura, mas na camada de
resíduos. Este dado pode ser importante e proveitoso na definiçäo da irrigaçäo durante o processo de
degradaçäo biológica.
A permeabilidade das camadas de lixo e de sua cobertura conforme dito no início deste trabalho será
importante na determinaçäo do balanço hídrico do local e em diversas decisöes de natureza de aterros e
recuperaçäo de áreas degradadas pelo lixo. Recomenda-se porisso e pela extensa faixa de valores encontrados,
que um número maior de investigaçöes referentes à determinaçäo da permeabilidade in situ de aterros de lixo
seja futuramente desenvolvido.
AGRADECIMENTOS
Ao CNPq pelo apoio que tem dado aos dois autores, à Fundaçäo Volkswagen que forneceu os recursos para a
compra do Permeâmetro Guelph e outros equipamentos necessários para a pesquisa, e aos órgäos públicos e
privados que permitiram os ensaios in situ.
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