Departamento de Engenharia Civil
ESTUDO DAS PROPRIEDADES HIDRÁULICAS DE SOLOS DE ENCOSTA DO RIO DE JANEIRO
Alunos: Breno Verly Rosa e
Alexandre da Rocha Rodrigues
Orientador: Eurípides Vargas do Amaral Junior
João Luis Teixeira de Mello Guedes Pinto
Introdução
O uso e a ocupação inadequada do solo refletem numa maior ocorrência de eventos e
desastres ambientais, caracterizados principalmente pelos movimentos de massa, afetando na maioria das vezes as áreas mais densamente povoadas e de população de baixa renda. Os
prejuízos não são somente ambientais, mas também econômico-financeiros e sociais.
A instabilidade e, como consequência, os escorregamento, pode ocorrer apenas pela infiltração da água de chuva no terreno. Esta infiltração tem como consequência a perda de
sucção, provocando uma redução na resistência ao cisamento do solo [1]. Logo, o estudo e entendimento dos fenômenos envolvidos nos eventos de instabilidade das encostas e
escorregamentos cada vez mais frequentes no Rio de Janeiro e regiões ao redor, necessitam do conhecimento das propriedades de resistência e das propriedades hidráulicas dos solos dessas encostas. Essas propriedades e parâmetros são aplicados, em etapas posteriores, na análise
numérica e de processos de infiltração da água da chuva e também da previsão das possíve is consequências do ponto de vista de estabilidade das encostas.
Solos não saturados
Os solos não saturados são sistemas trifásicos compostos por uma fase sólida (que compreende as partículas minerais do solo), fase líquida (água presente no solo) e fase gasosa
(ar compreendido entre os poros do solo que não estão preenchidos por água). A importância dos
solos não saturados reside não somente no fato de termos a grande maioria dos solos no estado não saturado,
mas é também devida à necessidade de se compreender fenômenos que eram até pouco tempo desconsiderados
nos projetos e nas análises de engenharia. Tais fenômenos tratam em sua grande maioria de aspectos
ambientais, onde o meio ambiente é um elemento fundamental no comportamento do solo [3]. Algumas propriedades e conceitos são importantes quando se fala de estudo de solos não saturados,
assim alguns conceitos e definições são apresentados abaixo.
Curva Característica
A curva característica ou curva de retenção de água relaciona a quantidade de água presente no solo e a sucção (pressão negativa da água presente nos poros de um solo), sendo fundamental para a caracterização hidráulica dos materiais porosos, para a compreensão
dos fenômenos relacionados com o fluxo, a resistência e a compressibilidade dos solos não saturados [3]. A curva característica é propriedade particular de cada material poroso e, entre
outros fatores, está relacionada com a granulometria do solo. Neste trabalho a quantidade de água foi definida utilizando-se o teor de umidade volumétrico.
Permeabilidade saturada não saturada
Permeabilidade é a medida da capacidade de um meio poroso em transmitir um fluido. Quanto maior a permeabilidade de um meio, maior sua capacidade de transmissão. Nos solos
não saturados a permeabilidade varia e depende do seu grau de saturação, ou seja, da quantidade de água presente nos seus vazios e, á essa relação – coeficiente de permeabilidade e saturação – é dado o nome de função permeabilidade.
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Objetivos
O principal objetivo do trabalho foi o estudo e levantamento das propriedades hidráulicas de solos de encostas típicos do Rio de Janeiro, a fim de se criar um banco de dados
relacionando os tipos de solos encontrados e suas propriedades hidráulicas relevantes (curva característica, permeabilidade saturada e parâmetros do modelo de Van Genutchen).
Metodologia
Áreas de Estudo
Até o momento foram estudadas cinco áreas ao longo do Rio de Janeiro, a saber:
Campo Experimental PUC-Rio, Costa Brava, Rio Bonito, Campo Grande e Duque de Caxias, escolhidos pela origem e por representar diferentes tipos de solos residuais encontrados na
cidade e região metropolitana. A tabela abaixo (Tabela 1) apresenta a categorização dos solos residuais estudados relativos ao material de origem dos mesmos.
Localidade Classificação Geotécnica Litologia
Campo Grande Residual Jovem Biotita Gnaisse
Costa Brava Residual Saprolítico Gnaisse Facoidal
Duque de Caxias Residual Jovem Migmatito Melanocrático
Rio Bonito
Residual Jovem
Alcalino
Residual Maduro
Campo Experimental
PUC-Rio, Gávea Colúvio Transportado Kinzigito
Tabela 1: Classificação geotécnica e localização dos solos do estudo
A Figura 1 apresenta a localização e distribuição dos solos estudados obtida de imagem de satélite a partir do software Google Earth.
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Figura 1: Localização das áreas do estudo, Rio de Janeiro e região metropolitana. Imagem de satélite, Google Earth
Caracterização Física
Em cada localidade, após a realização dos ensaios de campo, foram colhidas amostras
de solos que eram acondicionadas apropriadamente e levadas ao laboratório de geotecnia da PUC-Rio onde eram realizados ensaios para a caracterização física dos solos, a fim de sua
classificação. Os ensaios laboratoriais realizados são apresentados e resumidamente descr itos abaixo e os resultados dos ensaios apresentados no item Resultados e Conclusões.
Análise Granulométrica: peneiramento e sedimentação
A análise granulométrica do solo visa determinar a porcentagem em massa que cada fração do solo de determinado diâmetro possui em relação á massa total da amostra. Nesse
estudo a análise granulométrica foi realizada por combinação do método de peneiramento e sedimentação (para fração mais fina do solo), ambos realizados conforme os procedimentos normatizados pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) na norma NBR
6502/95 (Solo – Análise Granulométrica).
Densidade real dos grãos
Os ensaios realizados para a determinação da densidade real dos grãos nos permite determinar a densidade das partículas que constituem o solo. Os ensaios foram realizados conforme procedimentos normatizados pela Associação Brasileira de Normas Técnicas
(ABNT) - NBR 6508/84 (grãos de solos que passam na peneira de 4,8mm – Determinação da massa Específica).
Limites de Atterberg: plasticidade e liquidez
O limite de plasticidade (LP) é o teor de umidade abaixo do qual o solo perde a capacidade de ser moldado e passa a ficar quebradiço. Já o limite de liquidez (LL) é o teor de
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umidade acima do qual o solo adquire o comportamento de um líquido. As normas que descrevem os procedimentos para realização dos ensaios de plasticidade e liquidez são, respectivamente, a NBR 7180/84 (Solo – Determinação do limite de plasticidade) e a NBR
6459/84 (Solo – Determinação do limite de liquidez). O índice de plasticidade (IP), outro parâmetro físico importante, é obtido pela subtração do limite de liquidez (LL) pelo limite de
plasticidade (LP). Os ensaios realizados nos solos do estudo seguiram as normas técnicas já mencionadas (Figura 2).
Figura 2: Cápsulas com solos dos ensaios antes de serem levados à estufa para a
determinação da umidade
Ensaio de campo: EIM (Ensaio de Infiltração Monitorada)
O ensaio de infiltração monitorada consiste em determinar a variação da carga de
pressão com o tempo quando é aplicada uma carga hidráulica constante. A partir desse ensaio, descrito por Velosso (2000) como simples, prático e confiável, é possível a identificação dos
parâmetros hidráulicos do modelo de Van Genuchten. Após a realização dos ensaios de infiltração monitorada os parâmetros foram retro-analisados com uso do programa Hydrus 2D/3D, somente três dos parâmetros (α, n e ksat) podem ser estimados independentemente, o
parâmetro l foi fixado em 0,5 e, nesse estudo, fixou-se o valor de θr com valores próximos a 10% de θs [2]. Os valores encontrados para as propriedades hidráulicas dos solos estudados
são apresentados em item posterior.
Os equipamentos utilizados neste ensaio de campo são:
Permeâmetro de Guelph: permeâmetro de campo de carga constante composto por um
tripé que permite o ajuste do equipamento no terreno e uma garrafa de Mariotte, que consiste num reservatório de água capaz de aplicar uma carga constante (mantém o nível constante no furo realizado para o ensaio).
Tensiômetro: aparelho utilizado na medição da sucção de um solo. Os tensiômetros
interagem com o solo por meio de uma pedra porosa que “interliga” a água do solo com a água do tensiômetro. A sucção é obtida medindo-se a pressão da água do tensiômetro, que por estar em equilíbrio com a água do solo tem a mesma pressão [3].
Data logger: para converter o sinal analógico para digital e o computador com o
software para gravar os dados coletados.
A Figura 3 mostra a configuração do ensaio de infiltração monitorada acontecendo.
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Figura 3: Realização do ensaio de infiltração monitorada (EIM)
Resultados e Conclusões
Os resultados dos ensaios, laboratoriais e de campo, realizados serão mostrados a seguir subdivididos por área de estudo. Para cada localidade é apresentado os resultados encontrados para a caracterização do solo, densidade real dos grãos, limites de liquidez e plasticidade e
porosidade e ainda os valores para a condutividade hidráulica, α, θr e θs, juntamente com as curvas de condutividade hidráulica e curva característica dos mesmos.
Campo Grande
O solo encontrado em Campo Grande, bairro da Zona Oeste de Rio de Janeiro, apresenta litologia de biotita gnaisse, sendo considerado como residual jovem de textura
majoritariamente arenosa – 86,5% em peso de fração areia. O solo também não apresentou limite de Atterberg.
Pedregulho
(%)
Areia Grossa
(%)
Areia Média
(%)
Areia Fina
(%)
Silte
(%)
Argila
(%)
4,1 38,1 31,8 15,7 7,6 2,7
Tabela 2: Granulometria, Campo Grande
Gs gd (g/cm³) n LL LP
2,74 1,35 0,505 NL NP
Tabela 3: Dados caracterização, Campo Grande
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Gráfico 1: Curva granulométrica, Solo residual Biotita Gnaisse, Campo Grande
Propriedades Hidráulicas – Campo Grande
θr θs α (cm-1) n ksat (cm/s)
0,051 0,51 8,41E-03 1,81 1,19E-04
Tabela 4: Propriedades hidráulicas, Solo Residual, Campo Grande
Costa Brava
O solo residual encontrado na localidade do Costa Brava, no Rio de Janeiro, apresenta litologia de gnaisse facoidal, rocha encontrada em bastante abundância na cidade e que apresenta em sua constituição, principalmente, minerais de feldspato, quartzo e biotita. Esse
solo pode ser considerado como arenoso – aproximadamente 75% de sua granulometria correspondem a areia e não apresentou limites de liquidez e plasticidade.
Gs gd (g/cm³) n LL LP
2,81 1,39 0,51 NL NP
Tabela 5: Dados caracterização, Costa Brava
Pedregulho
(%)
Areia Grossa
(%)
Areia Média
(%)
Areia Fina
(%)
Silte
(%)
Argila
(%)
12,0 35,0 28,1 11,2 6,1 4,9
Tabela 6: Granulometria, Costa Brava
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100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Po
rcen
tagem
retid
a (%)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000
Po
rce
nta
gem
qu
e p
assa
(%
)
Diâmetro dos grãos (mm)
CB21/22 CB21/22
Gráfico 2: Curva granulométrica, Solo residual Gnaisse Facoidal Costa Brava
Propriedades Hidráulicas - Costa Brava
θr θs α (cm-1) n ksat (cm/s)
0,065 0,506 0,022469 2,6782 0,00099308
Tabela 7: Propriedades hidráulicas, Solo Residual, Costa Brava
Gráfico 3: Condutividade Hidráulica, Costa Brava
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Gráfico 4: Curva Característica, Costa Brava
Duque de Caxias
O solo estudado na região de Duque Caxias, região metropolitana do Rio de Janeiro
corresponde a um solo residual jovem com litologia de Migmatito, definido também como melanocrático, ou seja, com elevada presença de minerais máficos (minerais ricos em
magnésio e ferro). Esse solo estudado apresentou baixa plasticidade podendo ser caracterizado como silto-arenoso (61,6% de areia e 36,6% de silte).
O solo possui elevada densidade relativa dos grãos e também elevada porosidade, se
comparado com o s outros solos do estudo, apresentando 2,843 e 0,55, respectivamente. Os outros resultados encontrados, inclusive para as propriedades hidráulicas saturadas do solo,
são apresentados abaixo.
Pedregulho Areia
Grossa
Areia
Média
Areia
Fina Silte Argila
0,4 3,8 24,4 33,4 36,6 1,3
Tabela 7: Granulometria, Duque de Caxias
Gs gd
(g/cm³) n LL LP IP
2,843 1,27 0,55 50,3 48,3 2,0
Tabela 8: Dados caracterização, Duque de Caxias
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Gráfico 5: Curva granulométrica, Solo residual de Migmatito, Duque de Caxias
Propriedades Hidráulicas - Residual Jovem de
Migmatito, Duque de Caxias
θr θs a(cm-1) n ksat (cm/s)
0,007 0,55 8,99E-03 1,28E+00 3,09E-04
Tabela 9: Propriedades hidráulicas, Solo Residual, Duque de Caxias
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Gráfico 6: Condutividade Hidráulica, Duque de Caxias
Gráfico 7: Curva Característica, Duque de Caxias
Rio Bonito, RJ
Foram dois os solos ensaiados nessa localidade, porém ambos de mesma litologia alcalina: solo residual jovem e solo residual maduro. O solo residual jovem, encontrado na
base de um talude, apresentou elevado percentual de fração areia, cerca de 65% (38,1% de areia grossa, 15% de areia média e 11,5% de areia fina). Já o solo residual maduro,
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encontrado no topo do talude, apresentou em sua maioria fração areia e também relevantes porcentagens de silte e argila (41,3%, 34% e 23,8%, respectivamente). Com relação á porosidade, o solo residual jovem apresentou o valor de 0,41 enquanto que o residual maduro
apresentou o valor de 0,54.
1009080706050403020100
Po
rcen
tagem
retid
a (%)
0102030405060708090
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000
Po
rce
nta
gem
qu
e p
assa
(%
)
Diâmetro dos grãos (mm)RB RT
Gráfico 8: Curva granulométrica, Rio Bonito
Solo Residual Jovem, Rio Bonito:
Pedregulho Areia
Grossa
Areia
Média
Areia
Fina Silte Argila
14,9 38,1 15,0 11,5 16,9 3,5
Tabela 10: Granulometria, Rio Bonito
Gs rd
(g/cm³) n LL LP IP
2,741 1,604 0,41 34,4403 33,6443 0,795991
Tabela 11: Dados caracterização, Rio Bonito
Propriedades Hidráulicas - Residual Jovem
(Base talude), Rio Bonito
θr θs a(cm-1) n ksat (cm/s)
0,078 0,415 0,005344 1,1622 0,00035152
Tabela 12: Propriedades Hidráulicas, Rio Bonito
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Gráfico 9: Condutividade Hidráulica, Rio Bonito
Gráfico 10: Curva Característica, Rio Bonito
Solo Residual Maduro, Rio Bonito:
Pedregulho Areia
Grossa
Areia
Média
Areia
Fina Silte Argila
0,9 15,1 7,3 18,9 34,0 23,8
Tabela 13: Granulometria, Rio Bonito
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gd
(g/cm³) n LL LP IP
2,74 0,54 47,5126 39,4669 8,045706
Tabela 14: Dados caracterização, Rio Bonito
Propriedades Hidráulicas - Solo Residual
Maduro (Topo talude) , Rio Bonito - RJ
θr θs a(cm-1) n ksat (cm/s)
0,03 0,539 0,004676 1,4535 5,92E-05
Tabela 15: Propriedades Hidráulicas, Rio Bonito
Gráfico 11: Condutividade Hidráulica, Rio Bonito
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Gráfico 12: Curva característica, Rio Bonito
Campo Experimental PUC-Rio, Gávea
O solo encontrado no Campo Experimental da PUC-Rio tem origem de gnaisse
kinzigito e classificado como solo coluvionar. A granulometria encontrada nesse solo apresenta majoritariamente fração argilosa. As tabelas abaixo apresentam os resultados
encontrados para o solo do meio do talude.
Pedregulho Areia
Grossa
Areia
Média
Areia
Fina Silte Argila
0,1 0,2 14,7 17,4 2,8 64,8
Tabela 16: Granulometria, Campo Exp. PUC-Rio
Gs gd
(g/cm³) n LL LP IP
- - - 43,9 32,1 11,7
Tabela 17: Dados caracterização, Campo Exp. PUC-Rio
Propriedades Hidráulicas – Campo
Experimental PUC-Rio, Gávea
θr θs a(cm-1) n ksat (cm/s)
0,051 0,44 6,61E-03 1,28 5,03E-03
Tabela 18: Propriedades Hidráulicas, Campo Exp. PUC-Rio
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100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0P
orce
ntage
m re
tida (%
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000
Po
rce
nta
gem
qu
e p
assa
(%
)
Diâmetro dos grãos (mm)
PM PT2 PT1
Gráfico 13: Curva granulométrica, Campo Experimental, PUC-Rio, Gávea
Conclusão
De maneira geral, os solos ensaiados podem ser classificados, segundo o método de classificação SUCS (Sistema Unificado de Classificação dos Solos) como arenosos e areno-siltosos (SW e SM) com pouca plasticidade e apresentaram índices físicos médios de Gs igual
a 2,68, ρd (densidade específica) 1,40 g/cm³ e n (porosidade) 0,48. O solo residual encontrado na localidade Costa Brava (correspondente a litologia de um gnaisse facoidal) foi o que
apresentou maior permeabilidade saturada, com Ksat aproximadamente de 10-3 cm/s. Para os solos residuais jovens de Duque de Caxias (correspondente a litologia de um migmatito e de rochas alcalinas, respectivamente) foram encontradas permeabilidades saturadas em torno de
10-4 cm/s. Observou-se também que os solos com maiores porcentagens de finos foram os que apresentaram menor variação da umidade com o aumento da sucção. Com relação aos valores
dos parâmetros hidráulicos encontrados, esses variam em torno de 8,71x10-02 cm-1 para o parâmetro a, sendo o maior valor encontrado de 1,81x10-2 cm-1 para o solo residual saprolítico ensaiado da localidade Costa Brava e o menor valor encontrado de 8,99x10-3 cm-1 para o solo
coluvial transportado de Duque de Caxias. A média geral para os valores de θr e θs
encontrados são, respectivamente: 0,0436 e 0,507.
Referências
[1] Campos, L. E. Influência da sucção na estabilidade de taludes naturais em solos
residuais. Dissertação de Mestrado DEC/PUC-Rio, Rio de Janeiro, 1984.
[2] Teixeira, M. G. P. J. L. Determinação das propriedades hidráulicas dos solos residuais
do Rio de Janeiro. Dissertação de Mestrado DEC/PUC-Rio, Rio de Janeiro, 2013. [3] Maarinho, F. A. Os solos não saturados: aspectos teóricos, experimentais e aplicados .
Texto- Departamento de engenharia de estruturas - Escola politécnica da universidade de São Paulo, agosto 2005.
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[4] Moncada, M. P. Avaliação de Propriedades Hidráulicas de Solos Tropicais Não
Saturados. Tese de Doutorado – DEC/ PUC-RIO, Rio de Janeiro, 2008.
[5] Velloso, R. Q. Estudo numérico da estimativa de parâmetros
hidráulicos em solos parcialmente saturados . Dissertação de Mestrado DEC/PUC-Rio, Rio de Janeiro, 2000.
[6] Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 6459: Solo - determinação do limite de liquidez.
[7] Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 6508: grãos de solo que passam na peneira de 4,8 mm – determinação da massa específica.
[8] Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 7180: Solo - determinação do limite de
plasticidade. [9] Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 7181: Solo: análise granulométrica. Rio
de Janeiro, 1984.