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Permeabilidade do solo, percolação do solo ruptura hidráulica1

Anna Jacqueline Silva, Driely A. Alves, Inara Marcelly Amorim, Nerivaldo Nestor e

Marcela Neves 2

Maria da Anunciação 3

1. INTRODUÇÃO

A água é um componente vital de todas as células vivas e, apesar de ser um

dos compostos químicos mais simples da natureza, suas propriedades proporcionam

uma grande variedade de processos químicos, físicos e biológico. Tais processos afetam

diretamente quase todas as características inerentes ao solo, como por exemplo os

aspectos de sua formação, seu comportamento, decomposição de matéria orgânica,

crescimento das plantas, dentre outras características.

A agua apresenta um comportamento diferenciado quando esta associada à

partículas de solo. No solo, a associação íntima entre a água e suas partículas altera o

comportamento de ambos. A agua faz com que as partículas do solo se expandam e se

contraiam para unirem se umas às outras e formarem os agregados estruturais, além

disso ela participa de inúmeras reações químicas que liberam ou imobilizam nutrientes,

geram acidez e desgastam os minerais, em casos particulares, devido a interação solo-

água, a água pode se comportar como um sólido e não mais como um liquido, outra

peculiaridade relacionada a seu comportamento no solo está em relação à sua

movimentação ao longo dos diferente horizontes do solo que pode ocorrer tanto para

cima como para baixo. (Nyle C, Ray R. 2013)

Para a engenharia o conhecimento das características e do comportamento

da água no solo mostra-se importantes para o real conhecimento do comportamento do

solo como um todo, e ajudam a compreender processos referentes à deslizamentos,

movimentações de terra e, principalmente os rompimentos hídricos, fenômenos

primordiais em problemas de estabilidade de taludes, projetos de barragens, controle de

águas subterrâneas.

1Case apresentado à disciplina Mecânica dos Solos II, da Unidade de Ensino Superior Dom Bosco - UNDB. 2 Alunos do 6º período do Curso de Engenharia Civil, da UNDB.3 Professora Mestre, orientadora.

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A ruptura de barragens de terra pode ser causada por erosão interna (piping),

que resulta da passagem da água através das paredes da barragem. A água que se

movimenta através da barragem, ou de suas fundações, pode resultar na formação de

uma brecha, se os volumes de água e material sólido superam determinados limites de

segurança. A brecha inicia como um poro em um ponto qualquer da barragem e este

poro cresce, por erosão, para todos os lados. Serão explorados detalhadamente os

processos constituintes deste fenômeno e elencadas as ocorrências relevantes.

2. CARACTERISTICAS E COMPORTAMENTO DA ÁGUA NO SOLO

O solo é uma mistura de vários minerais, matéria orgânica e água, não é um

meio maciço, e sim extremamente poroso, as partículas sólidas do solo são compostas

de partículas minerais (argila, silte e areia), o espaço poroso do solo é ocupado pelo ar

do solo e água. É o produto final das ações dos processos físicos, químicos e biológicos

que degradam as rochas e em grande parte produzem minerais. A porção orgânica do

solo consiste em biomassa de plantas em várias fases de apodrecimento.

A água do solo pode apresentar-se de quatro formas distintas: (i) Água de

composição, que faz parte da estrutura química dos grãos de minerais; (ii) água

adsorvida, a qual é atraída por forças elétricas à superfície do argilomineral, conferindo

lubrificação entre partículas e plasticidade ao material; (iii) água livre, a qual pode fluir

através dos vazios do solo; (iv) água de capilaridade, resultante das forças

desenvolvidas pela tensão superficial.

3. PERMEABILIDADE DOS SOLOS

A permeabilidade é a propriedade que o solo apresenta de permitir o

escoamento de água através dele, sendo o grau de permeabilidade expresso

numericamente pelo coeficiente de permeabilidade (CAPUTO, 1996). O que significa

dizer que todos os solos são mais ou menos permeáveis. O conhecimento do valor da

permeabilidade é muito importante em obras de engenharia, principalmente, na

estimativa da vazão, no qual, percolará através do maciço e da fundação de barragens de

terra, em obras de drenagem, rebaixamento do nível d’água, adensamento, etc.

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

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resolução desses problemas. O coeficiente de permeabilidade pode ser determinado

através de ensaios de laboratório em amostras indeformadas ou de ensaios “in situ”.

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 minúsculos canais, interconectados uns aos outros,

nos quais ou há é água armazenada, em equilíbrio hidrostático, ou água flui através

desses pequenos canais, sob a ação da gravidade. Nas argilas esse modelo simples do

solo perde sua validade, uma vez que devido ao minúsculo 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.

Quanto mais homogêneos o tamanho e a distribuição dos grãos, maior é a

interconexão entre poros e a capacidade do aqüífero em transmitir água. O argilito e o

siltito apresentam elevada porosidade (35-60%), porém baixa permeabilidade. Assim,

apesar de ter grande capacidade de armazenamento, deste tipo de formação rochosa não

é possível extrair água em volume suficiente para o uso.

Como mencionado o estudo da permeabilidade do solo é de grande

importância para a engenharia, pois apresenta três tipos de problemas práticos que o

mesmo apresenta devido à presença da água em seu meio que são:

a) No calculo das vazões, por exemplo, na estimativa da quantidade de água

que se infiltra nas escavações;

b) Na análise de recalques, pois freqüentemente o mesmo está relacionado

com a diminuição de índices de vazios, que ocorre com a expulsão da água desses

vazios;

c) Nos estudos de estabilidade, pois a tensão efetiva, que é a principal

responsável pela resistência do solo depende da pressão neutra, do qual depende das

tensões provocadas pela percolação da água.

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A permeabilidade dos solos é uma propriedade que pode ser expressa

numericamente pelo coeficiente de permeabilidade, cujo mesmo é obtido através de

ensaios laboratoriais ou até mesmo em fundamentações teóricas estabelecidas por

Reynolds, em 1883, que consiste em um regime de escoamento em condutos forçados.

Reynolds comprovou que o regime de escoamento é laminar, sob certas condições, ou

turbulento. Consistiu em permitir o fluxo de água através de uma tubulação transparente

e, por meio de um pequeno funil instalado no tanque superior, introduzir um corante no

fluxo: se o corante escoasse com uma trajetória retilínea, o regime de escoamento seria

laminar, pois as partículas têm trajetórias paralelas; caso contrário, o regime seria

turbulento.

Reynolds variou o diâmetro “D” e o comprimento “L” do conduto e a

diferença de nível “h”entre os reservatórios, medindo a velocidade de escoamento “v”.

Verifica-se que há uma velocidade crítica “vc” abaixo da qual o regime é laminar,

havendo proporcionalidade entre o gradiente hidráulico e a velocidade de fluxo. Para

velocidades acima de “vc” a relação não é linear e o regime de escoamento é turbulento.

Ainda segundo Reynolds, o valor de “vc” é relacionado teoricamente com as demais

grandezas intervenientes através da equação:

Re = vc .D . y

μ . g

Onde, Re significa o numero de Reynolds, vc é a velocidade crítica e o D é o

diâmetro do conduto; y é o peso específico do fluído; µ representa a viscosidade do

fluído e g é a aceleração da gravidade.

Figura 3- Experiência de Reynolds: (a) montagem; (b) resultados.

Podemos analisar o coeficiente de permeabilidade através da lei

experimental de Darcy de acordo com a qual a velocidade de percolação é diretamente

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proporcional ao gradiente da carga hidráulica (i = dH/dx) e ao coeficiente de

permeabilidade (k). Em 1856, Darcy definiu uma relação empírica para fluxo da água

em meios porosos, o coeficiente de permeabilidade k (ou condutividade hidráulica) das

formações (solo ou rocha) resulta da lei de Darcy que consistiu em percolar água através

de uma amostra de solo de comprimento “L” e área “A”, a partir de dois reservatórios

de nível constante, sendo “h” a diferença de cota entre ambos. Os resultados indicaram

que a velocidade de percolação v = Q/A é proporcional ao gradiente hidráulico i = h/L.

Figura 3.1- Experiência de Darcy.

3.1 Fatores que influenciam a permeabilidade

Os principais fatores que influenciam no coeficiente de permeabilidade são:

granulometria, índice de vazios, composição mineralógica, estrutura, fluído, macro-

estrutura, densidade e viscosidade da água, tipo de solo 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

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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, interconectado onde a água flui mais facilmente (ver item 4.10,

Unidade 4).

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 ohorizonte C dos perfis de solo, também

denominados de solos saprolíticos.

Densidade e viscosidade da água- quanto mais pesada e viscosa for à

águamaior será a dificuldade com que atravessará os poros do solo.

Tipo de solo - Solos granulares, como pedregulhos e areias,

apresentammaior k. Solos finos, siltes e argilas apresentam menor k.

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. Por isso, os Notas de Aula - Mecânica dos Solos 76valores de “k”

obtidos nos ensaios são geralmente referidos à temperatura de 20°C.

4. INFILTRAÇÃO E PERCOLAÇÃO

A infiltração e a percolação são processos fundamentais da hidrologia, a

união destes dois processos é de grande importância prática, pois influenciam o regime

de umidade para as plantas e afetam diretamente o escoamento superficial, que é o

componente do ciclo hidrológico, podendo ser responsável pelos processos de erosão e

inundações em fundos de vale. O processo pelo qual a água livre (da chuva, neve

derretida ou irrigação) atravessa a superfície do solo preenchendo seus espaços porosos

e transformando-se em agua do solo, é denominado infiltração. O processo de

percolação se dá após a infiltração, esse corresponde à movimentação descendente da

água infiltrada no perfil do solo.

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O consumo das águas da chuva, da irrigação ou proveniente do derretimento

da neve, adquire diferentes destinos. Parte da precipitação pode ser interceptada pela

folhagem das plantas e retornar a atmosfera por evapotranspiração sem chegar a atingir

o solo. A interceptação da neve, também pelas plantas, e sua subsequente sublimação

que pode corresponder a ate 50% da precipitação, também nunca consegue atingir o

solo. Do percentual de agua que chega a atingir o solo parte é infiltrada, penetrando suas

camadas, principalmente se a camada mais superficial for bastante porosa. A taxa de

precipitação que exceder a capacidade infiltração do solo será perdida pelo escoamento

superficial.

Após a passagem da água pela superfície do solo, ou seja, ao fim da

infiltração, a camada superior atinge um alto teor de umidade, enquanto que as camadas

inferiores apresentam-se ainda com baixos teores de umidade. Há então, uma tendência

de um movimento descendente da água provocando um molhamento das camadas

inferiores por percolação. O perfil de umidade do solo, durante a infiltração, está

apresentado na Figura a seguir.

Figura 4-

● Zona de saturação: corresponde a camada mais superficial do solo com

cerca de 1,5 cm, onde os poros são mais facilmente preenchidos por água e seu

conteúdo é constante.

● Zona de transição: é uma zona com espessura em torno de 5 cm, nela há

um rápido decréscimo do conteúdo de água.

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● Zona de transmissão: é a região do perfil através da qual a água é

transmitida. Esta zona é caracterizada por uma pequena variação da umidade em relação

ao espaço e ao tempo, pois, ao longo desta camada a agua é transmitida sem que ajam

grandes variações em seu conteúdo.

● Zona de umedecimento: compreende a uma camada profunda do solo

onde ocorre uma diminuição drástica do conteúdo de água.

● Frente de umedecimento: Representa o limite visível da penetração de

água no solo.

4.1 Fatores que influenciam a infiltração

A infiltração é um processo que depende, em maior ou menor grau, de

diversos fatores, dentre os quais destacam-se:

● Tempo de ocorrência da precipitação: Fortes chuvas podem fornecer

água mais rapidamente do que o solo pode absorver. Uma maior quantidade chuva de

pouca intensidade e distribuída ao longo dos dias, se movimentaria mais lentamente no

solo, chegando a atingir camadas mais profundas do solo.

● Características do solo e vegetação: a textura e a estrutura são

propriedades que influenciam expressivamente a infiltração, se por exemplo o solo for

solto e poroso uma elevada quantidade de água vai infiltrar e relativamente pouca vai

escoar pela sua superfície, outros fatores como a inclinação do terreno, as camadas

impermeáveis dentro do perfil do solo. Já as vegetações e seus resíduos favorecem a

infiltração principalmente por gerar fendas, rachaduras e canais biológicos originados

por raízes decompostas ou pela fauna do solo.

● Manejo do solo: o principal propósito do manejo do solo e das águas é

favorecer a infiltração, no entanto, se as condições de preparo e de manejo do solo

forem inadequadas, a sua capacidade de infiltração poderá tornar-se inferior à de um

solo sem preparo, principalmente se a cobertura vegetal presente sobre o solo for

removida.

● Bacias hidrográficas urbanas: o desenvolvimento urbano pode restringir

severamente a capacidade de infiltração do solo, o advento do desenvolvimento urbano

e a alteração do solo pela construção civil, altera drasticamente a ciclo hidrológico

principalmente pela impermeabilização das aras urbanas que resulta num aumento

considerável do escoamento superficial, como consequencia as grandes cidades passam

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por inúmeros problemas referentes a enchente, assoreamento de rios, errosões de cursos

dágua, poluição difusa, entre outros.

5. ESTABILIDADE INTERNA DOS SOLOS

Estabilidade interna é a capacidade de um solo de prevenir a migração de

suas partículas finas como resultado de uma alteração das condições do meio devido à

percolação ou à vibração do solo. Quando ocorre a segregação das frações finas e

grossas de um material durante a execução da obra, tal material se torna mais suscetível

à instabilidade interna. Além disso, a instabilidade interna ocorre principalmente em

materiais de granulometria descontínua.

Uma vez que a instabilidade interna de um material pode acarretar a erosão

interna de suas partículas e, progressivamente, do maciço, a formação de um processo

de piping torna-se possível, comprometendo a segurança da estrutura.

A instabilidade hidráulica pode ocorrer por meio de erosão interna, ou seja,

piping, ou através de ruptura hidráulica (ou levantamento hidráulico). Sendo que a

erosão interna afeta as partículas individuais do solo, as quais tendem a ser arrastadas

em função da força de percolação a partir da zona de saída da água. Enquanto que a

Ruptura hidráulica envolve uma massa de solo grande, na zona onde a percolação é

ascendente.

5.1 Ruptura hidráulica nos solos

As ações que podem provocar ruptura hidráulica do solo pela perda de

resistência e estabilidade do mesmo são: levitação, que consiste na perda de peso por

pressões ascendentes devido a água; carreamento, ou seja, arrastamento pelas forças de

percolação; erosão, arrastamento e arranchamento por trações devido à lâmina d’água.

A ruptura hidráulica nos solos consiste no processo de perda de resistência e

de estabilidade de uma massa de solo por efeito das forças de percolação. Na ruptura

hidráulica ou levantamento hidráulico há uma em perda de resistência do solo decorre

da redução das pressões efetivas devido a um fluxo d‘água ascendente. Nestas

condições, a força de percolação gerada pode se igualar às forças gravitacionais

efetivas, desde que os gradientes hidráulicos sejam suficientemente elevados. Assim, a

resultante das forças efetivas será nula.

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A segunda condição consiste na verificação da condição de tensão efetiva

igual a zero (σ‘=0) ou força de percolação igual ao peso submerso do solo (Fp=Wsub).

ic=hc

L=

( γ sat−γ w )γw

Onde ic é o gradiente hidráulico critico, que é aproximadamente igual a 1

para a maioria dos solos. Sendo que quando i ≥ ic as pressões efetivas são nulas em

qualquer ponto do solo.

5.2 Ruptura hidráulica por piping

O piping é uma forma de ruptura hidráulica de barragens, no qual tem início

por meio de uma erosão regressiva, ou seja, que acontece internamente, resultando na

formação de um canal ou tubo através de carreamento dos grãos do solo pelas forças de

percolação, com vazões consideráveis, de forma contínua entre a porção de montante e

jusante do maciço ou fundação da barragem, podendo conduzir à formação de fendas e

até ocorrer o colapso. Esse fenômeno pode ser observado na figura 1.

Figura 1: Esquema ilustrativo do piping.(AZEVEDO, 2005)

As águas que atingem o reservatório da barragem por precipitação direta ou

através de escoamento superficial, juntamente com os rejeitos, bem como o seu destino,

além do processo de evaporação e particularmente aquelas que percolam pelo maciço da

barragem devem ser atenção exclusiva, isso pode ser observado na figura 2.

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Figura 2- (MAIA, 2010)

5.2.1 Formas de erosão regressiva

A erosão regressiva consiste num processo erosivo no qual o carreamento de

partículas se inicia no ponto de saída do fluxo que percola por determinado maciço, de

forma que a erosão ocorra regressivamente, ou seja, no sentido de jusante para

montante, promovendo a formação de um tubo, por meio do qual o fluxo é contínuo.

Existem duas formas de erosão regressiva:

Erosão regressiva tubular, na qual o tubo é formado no plano horizontal, através

de maciço ou fundação, por solo coesivo;

Erosão regressiva global, na qual o tubo se forma subverticalmente, através de

camadas de solos siltosos ou arenosos, bem graduados (e não-plásticos), os

quais geralmente compõem o núcleo de uma barragem.

6. FILTROS EM BARRAGENS DE TERRA

Como sempre haverá a passagem de água pelo maciço da barragem de terra,

então esse fluxo precisa ser conduzido adequadamente por filtros, que captarão e

conduzirão essa água para que no talude de jusante não haja fluxo emergente. Esses

filtros visam uma otimização da barragem, drenado a água na base da barragem, além

de otimizar as redes de fluxo, vazões de percolação e gradiente de saída, controlando a

percolação pela fundação. (AZEVEDO, 2005)

A combinação de um filtro vertical e horizontal, conforme ilustra Figura 3,

intercepta o fluxo da água antes que ele consiga sair do talude de jusante. Então, se

esses filtros forem dimensionados criteriosamente, pode-se eliminar o piping.

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Figura 3: Seção da barragem com filtro horizontal e vertical. (AZEVEDO, 2005)

Outras filtros mais recentes são mostrados na figura 4, onde apresentam

soluções como filtros inclinados para montante, que melhora a estabilidade do talude de

montante. Na mesma figura, observa-se filtros inclinados para jusante, que aumenta o

caminho de percolação da água, assim se mostram interessantes quando se tem

fundação mais permeável. Ainda nessa figura, na mesma figura, tem uma solução que

combina as vantagens dos dois casos descritos anteriormente.

Figura 4: Conceitos mais recentes de filtros.(AZEVEDO, 2005)

6.1 Critérios de Filtros

A principal função básica dos filtros é prevenir fenômenos de erosão

regressiva, formada por forças de percolação intensivas, trincas e rupturas hidráulicas.

Então, a escolha do material filtrante é essencial, e baseia-se em dois critérios:

Critério de retenção: limita o tamanho dos vazios do filtro, de forma que não

permita a passagem dos grãos do solo, ou seja, as dimensões dos vazios

existentes entre os grãos do filtro devem ser suficientemente pequenas de forma

a possibilitar a retenção de partículas do material protegido.

D15 (filtro )>5∗D 85 ( solo )

Critério de permeabilidade: Indica que o filtro deve ser mais permeável que o

solo, assim, o filtro deve apresentar condutividade hidráulica suficiente para

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prover à estrutura condições para drenagem das águas provenientes do interior

do maciço.

D15 (filtro )>5∗D 15 (solo )

Onde D15 é o diâmetro que na curva granulométrica corresponde a

porcentagem que passa igual a 15%, e D85 é o diâmetro abaixo do qual se situam 85%

em peso das partículas. (AZEVEDO, 2005)

7. CONCLUSÃO

Os sistemas de drenagem interna na estabilidade de barragens possui papel

essencial na prevenção de problemas como o piping, pois esses sistemas aliviam os

níveis de subpressão, disciplina o fluxo que é percolado pelo corpo da barragem a um

destino seguro, além de evitar o carregamento de materiais finos.

Devido aos graves problemas que podem resultar da ocorrência de forças de

percolação elevadas, torna−se imprescindível o controle destas forças em uma obra de

terra. Este controle pode ser feito, basicamente, por dois procedimentos distintos, sendo

usual a adoção conjunta de ambos em um mesmo projeto, que são: redução da vazão de

percolação e adoção de dispositivos de drenagem.

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REREFÊNCIA

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