permeabilidade dos solos

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Permeabilidade dos solos

Escola Politcnica de Pernambuco POLI UPE Disciplina: Mecnica dos Solos 1 Integrantes do grupo: Jos Alberto Lopes Murilo Luiz Carlos Eduardo Pergentino Marcelo Lima Emmanuel Silva Turma: XO

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NDICE

1. Introduo 2. A permeabilidade dos solos 3. Fatores que influenciam na permeabilidade 4. A Lei de Darcy 5. O coeficiente de permeabilidade e sua determinao 6. Valores tpicos de coeficientes de permeabilidade 7. Variao do coeficiente de permeabilidade de cada solo 8. A velocidade de descarga e a velocidade real da gua 9. Cargas hidrulicas 10. A permeabilidade na Engenharia Civil 11. Concluso 12. Referncias

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1. Introduo

Entende-se por permeabilidade a capacidade de um determinado solo, sob condies normais, em permitir a passagem de gua (ou outro fluido) atravs de seus vazios. A permeabilidade dos solos varia com o nmero de vazios contidos neste. Para a construo civil o fluido considerado, quase na totalidade dos estudos, a gua. Esta, quando submetida a diferenas de potenciais, se desloca no interior dos solos causando tenses nestes. Esse estudo de grande utilidade construo civil, viabilizando clculos das vazes nos solos (Ex.: estimativa de quantidade que se infiltra numa escavao), na anlise de recalques (Ex.: diminuio dos ndices de vazios) e tambm no estudo de estabilidade (Ex.: a tenso efetiva comanda a resistncia do solo e depende da presso neutra, esta por sua vez depende das tenses provocadas pela gua).

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2. A permeabilidade dos solos A permeabilidade a propriedade que o solo apresenta de permitir o escoamento de gua atravs dele. Todos os solos so mais ou menos permeveis. O conhecimento do valor da permeabilidade muito importante em algumas obras de engenharia, principalmente, na estimativa da vazo que percolar atravs do macio e da fundao de barragens de terra, em obras de drenagem, rebaixamento do nvel dgua, adensamento, etc. Portanto, os mais graves problemas de construo esto relacionados com a presena da gua. O conhecimento da permeabilidade e de sua variao necessrio para a resoluo desses problemas. O coeficiente de permeabilidade pode ser determinado atravs de ensaios de laboratrio em amostras indeformadas ou de ensaios in situ. Como j foi visto, o solo um material natural complexo, constitudo por gros minerais e matria orgnica, constituindo uma fase slida, envolvidos por uma fase lquida: gua. H uma terceira fase, eventualmente presente; o ar, o qual preenche parte dos poros dos solos no inteiramente saturados de gua. No caso das areias o solo poderia ser visto como um material constitudo por canalculos, interconectados uns aos outros, nos quais ou h gua armazenada, em equilbrio hidrosttico, ou gua flui atravs desses canalculos, sob a ao da gravidade. Nas argilas esse modelo simples do solo perde sua validade, uma vez que devido ao pequenssimo dimetro que teriam tais canalculos e as formas exticas dos gros, intervm foras de natureza capilar e molecular de interao entre a fase slida e a lquida. Portanto, o modelo de um meio poroso, pelo qual percola gua, algo tanto precrio para as argilas, embora possa ser perfeitamente eficiente para as areias. Infelizmente a quase totalidade das teorias para percolao de gua nos solos baseada nesse modelo.

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3. Fatores que influenciam na permeabilidade Os principais fatores que influenciam no coeficiente de permeabilidade so: granulometria, ndice de vazios, composio mineralgica, estrutura, fludo, macroestrutura e a temperatura. Granulometria - O tamanho das partculas que constituem os solos influencia no valor de k. Nos solos pedregulhosos sem finos (partculas com dimetro superior a 2mm), por exemplo, o valor de k superior a 0,01cm/s; j nos solos finos (partcula com dimetro inferior a 0,074mm) os valores de k so bem inferiores a este valor. ndice de vazios - A permeabilidade dos solos esta relacionada com o ndice de vazios, logo, com a sua porosidade. Quanto mais poroso for um solo (maior a dimenso dos poros), maior ser o ndice de vazios, por conseguinte, mais permevel (para argilas moles, isto no se verifica). Composio mineralgica - A predominncia de alguns tipos de minerais na constituio dos solos tem grande influncia na permeabilidade. Por exemplo, argilas moles que so constitudas, predominantemente, de argilo-minerais (caulinitas, ilitas e montmorilonitas) possuem um valor de k muito baixo, que varia de 10-7 a 10-8 cm/s. J nos solos arenosos, cascalhentos sem finos, que so constitudos, principalmente, de minerais silicosos (quartzo) o valor de k da ordem de 1,0 a 0,01cm/s. Estrutura - o arranjo das partculas. Nas argilas existem as estruturas isoladas e em grupo que atuam foras de natureza capilar e molecular, que dependem da forma das partculas. Nas areias o arranjo estrutural mais simplificado, constituindo-se por canalculos, interconectados onde a gua flui mais facilmente. Fludo - O tipo de fludo que se encontra nos poros. Nos solos, em geral, o fludo a gua com ou sem gases (ar) dissolvidos. Macro-estrutura - Principalmente em solos que guardam as caractersticas do material de origem (rocha me) como diaclases, fraturas, juntas, estratificaes. Estes solos constituem o horizonte C dos perfis de solo, tambm denominados de solos saprolticos. Temperatura - Quanto maior a temperatura, menor a viscosidade dgua, portanto, maior a permeabilidade, isto significa que a gua mais facilmente escoar pelos poros do solo.

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4. A Lei de Darcy Em 1856, Darcy (Engenheiro Francs) verificou como os diversos fatores geomtricos, indicados na figura 1, influenciavam a vazo da gua, e props sua lei experimental do regime de escoamento dos fluidos para auxiliar nos estudos acerca da determinao da permeabilidade dos solos. O princpio fundamental de sua lei diz que a velocidade de percolao diretamente proporcional ao gradiente hidrulico. O escoamento dos fluidos se apresenta basicamente em dois tipos: laminar e turbulento. O que define estes escoamentos basicamente a velocidade. O escoamento laminar, que ocorre em velocidades mais baixas e em trajetrias retas e paralelas, o que interessa na Mecnica dos Solos. A Lei de Darcy deduzida segundo a teoria de Reynolds, e determina a velocidade de descarga de um fludo em escoamento laminar. V = K x i

Figura 1: gua percolando num permemetro

onde: V = Velocidade de descarga em (cm/s ou m/s) K = Constante de permeabilidade (cm/s ou m/s) (ndice que expressa a facilidade ou a dificuldade da gua se deslocar por entre os vazios de um solo com certa velocidade) i = Gradiente hidrulico (Queda de potencial hidrulico por distncia de percolao unitria.) i = h/L, onde: L = Altura da amostra (cm) h = Carga hidrulica (cm)

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5. O coeficiente de permeabilidade e sua determinao O coeficiente de permeabilidade o grau de permeabilidade expresso numericamente. calculado para duas situaes: Carga constante e carga varivel. Determinao do coeficiente de permeabilidade carga constante de gua percolando atravs do solo, em regime de escoamento laminar com continuidade do escoamento, sem variao do volume do solo durante o ensaio. Existem diversos tipos de equipamentos para investigao da condutividade hidrulica de solos em laboratrio. Esses equipamentos so denominados de permemetros, e so classificados em permemetros de parede rgida e parede flexvel. Os ensaios de condutividade hidrulica realizados em laboratrio so mais utilizados na avaliao de solos compactados durante a fase de projeto, devido os baixos custos comparados com ensaios de campo. Os resultados destes ensaios ajudam na seleo de materiais, normalmente mais indicados como camada impermeabilizante de fundaes e aterros sanitrios. Permeabilidade de parede rgida O permemetro de parede rgida constitudo por tubo metlico, plstico ou vidro (quando o chorume for o lquido percolante), onde colocado o corpo de prova para o ensaio. Esse tipo de permemetro no se utiliza em ensaios com solos de baixa permeabilidade, pois h a possibilidade de fluxo lateral entre o corpo de prova e molde, neste caso podem ser ensaiados de acordo com a NBR 13292/95. Os permemetros de parede rgida mais utilizados so do tipo: molde de compactao, tubo amostrador e clula de adensamento. a) Permemetro do tipo molde de compactao O ensaio com permemetro do tipo molde de compactao realizado em corpos de prova compactados. O corpo de prova contido por um cilindro fixo entre duas placas (tampas) em suas extremidades e vedadas com anis de borracha. No topo e base so colocados materiais drenantes. Daniel (1994) apresentou uma extensa reviso sobre os principais permemetros de parede rgida utilizados para determinao da k em solos. Em geral estes permemetros utilizam corpos de prova compactados, porm a NBR 14545/00 descreve um tipo de ensaio onde so executadas uma vedao com argila plstica (bentonita) nas laterais do corpo de prova. Neste caso o corpo de prova pode ser compacto ou natural. A bentonita ter como funo o selamento anelar evitando o fluxo de gua pelas lateriais. Daniel (1994) tambm apresenta este tipo de equipamento. A figura 6.4 (a), (b) e (c) apresenta 3 tipos de permemetros de parede rgida mais utilizados.

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b) Permemetro do tipo tubo amostrador O permemetro do tipo tubo amostrador consiste de um tubo que coleta amostras indeformadas em campo. Vrias vezes o tubo cortado no laboratrio e fixo entre as placas, sendo o corpo de prova percolado com lquidos diretamente no interior do tubo. Daniel (1994), afirma h grandes possibilidades de ocorrer fluxo lateral se o ensaio for realizado com amostras de solos muito rgidos ou que tenham material granular. Alm disto, podem ocorrer danos na amostra quando na coleta, devido perturbao do solo na cravao do tubo amostrador e tambm na retirada do mesmo. c) Permemetro do tipo clula de adensamento O permemetro do tipo clula de adensamento formado por uma clula, pela qual o fluxo dgua do corpo de prova conectado ao ensaio figura 6.6, Tavenas et al (1983), afirma que uma das vantagens na utilizao deste ensaio a possibilidade de medir alm da condutividade hidrulica a tenso vertical efetiva inicial (v0), ndice de vazios (e0), mas tambm a lei da variao de k em funo do ndice de vazios com o aumento da tenso vertical efetiva.

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Em geral os permemetros de parede rgida apresentam como vantagens: (a) Simplicidade de construo, operao e baixo custo da clula; (b) amostras com dimenses maiores podem ser ensaiadas; (c) podem ser aplicadas as tenses verticais nulas se desejado. As principais desvantagens que estes permemetro apresentam so: (a) Problemas de fluxo lateral nas amostras; (b) no h controle da tenso horizontal; (c) no possvel confirmar o grau de saturao pelo parmetro B; (d) no possvel obter a saturao por contrapresso; (e) necessita-se de um grande tempo para ensaiar o material de baixa permeabilidade. Permeabilidade de parede flexvel Consiste de uma cmara triaxial simplificada adaptada ao ensaio de permeabilidade. Na figura 6.7 aparece o desenho esquemtico de um permemetro de parede flexvel. Este sistema pode ser usado com gua, chorume ou com outro lquido. Quando usado com lquido de origem qumica, necessita-se verificar a possibilidade de alterao da membrana que reveste o corpo de prova e os componentes do permemetro.

O corpo de prova de solo colocado no interior da clula triaxial envolvido por uma membrana, e disposto entre a base e o pedestal, sendo confiando entre pedras porosas, na parte superior e inferior do corpo de prova. A clula triaxial preenchida com gua, aplicam-se tenses de confinamento, que comprimem a membrana flexvel ao corpo de prova. Desta forma o fluxo lateral (entre a membrana e o corpo de prova) minimizado. Uma linha de drenagem conectada na parte inferior do corpo de prova (onde entrar o fluxo dgua), e outra na parte superior (onde sair o fluxo). As principais vantagens do permemetro de parede flexvel so: (a) saturao da amostra por contrapresso e tem-se a possibilidade de verificar o parmetro B = u / ; (b) possibilidade de controle das tenses principais; (c) realizar ensaios com

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materiais de baixa condutividade hidrulica; (d) ensaios mais rpidos; (e) a membrana que envolve a amostra reduz o risco de percolao lateral devido tenso de confinamento aplicada; (f) as mudanas volumtricas e deformaes podem ser medidas. Citam-se como principais desvantagens: (a) os custos da clula e dos equipamentos envolvidos para realizao dos ensaios so elevados; (b) problemas de compatibilidade qumica da membrana com lquidos utilizados na percolao; (c) dificuldades de execuo do ensaio com tenses de compresso muito baixas; (d) problemas de difuso atravs da membrana. Mtodos de Ensaio (sistemas de controle) Os mtodos de ensaio de condutividade hidrulica so nomeados em funo do sistema de aplicao de carga hidrulica, que podem ser do tipo: carga constante, carga varivel e vazo constante (Daniel, 1994). Ensaio a carga constante Neste ensaio a amostra submetida a uma carga hidrulica constante durante o ensaio (permemetro de nvel constante). O coeficiente de permeabilidade determinado pela quantidade de gua que percola a amostra para um dado intervalo de tempo. A quantidade de gua medida por uma proveta graduada, determinando-se a vazo (Q), conforme mostra a Figura 6.8. Este permemetro muito utilizado para solos de granulao grossa (solos arenosos). Q=v.A v=k.i Q=k.i.A Q = k . h/L . A k = permeabilidade v = velocidade i = gradiente hidrulico Q = vazo L = comprimento A = rea da amostra h = diferena de nvel V = volume t = tempo Ensaio a carga varivel Em se tratando de solos finos (solos argilosos e siltosos), o ensaio com carga constante torna-se invivel, devido baixa permeabilidade destes materiais h pouca percolao de gua pela amostra, dificultando a determinao do coeficiente de permeabilidade. Para tais solos mais vantajoso a utilizao de permemetros com carga varivel, conforme mostra a Figura 6.9. h = f (t) Q = V/t = k . i . A V=K.i.A.t

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dV = k . i . A . dt (na amostra) dV = - a . dh (na bureta) k . i . A . dt = - a . dh k . h/L . A. dt = - a . dh

Realizando-se a integrao entre h1 e h2 e t1 e t2

Ensaios de campo (in situ) Por mais cuidadosos que sejam os ensaios de permeabilidade em laboratrio, representam somente pequenos volumes de solo em pontos individuais de uma grande massa. Portanto, a validade da aplicao dos valores neles obtidos aos problemas de percolao e drenagem depender de como possam ser considerados representativos da massa de solo. Em projetos importantes justifica-se a realizao de determinaes in situ da permeabilidade as quais envolvem grandes volumes de solo fornecendo valores mdios de permeabilidade que levam em conta variaes locais no solo. Por outro lado, eliminam o problema do amolgamento das amostras indeformadas e a dificuldade de amostragem oferecida por algumas formaes especialmente de solos arenosos. Ensaio de permeabilidade em furos de sondagem um ensaio de custo baixo quando comparado com o ensaio de bombeamento. Determina-se a permeabilidade de solos e rochas injetando-se gua ou bombeando-se atravs de perfuraes executadas durante a fase de investigao (furos de SPT). Este mtodo est sujeito a uma srie de erros, tais como a falta de preciso nas medidas dos elementos geomtricos, o amolgamento do solo devido perfurao, etc. Alm disso, as frmulas deduzidas para o clculo da permeabilidade so aplicveis somente em casos especficos e, por isso, necessrio muito cuidado para no aplicar frmulas a ensaios cujas condies no se enquadram nos limites estipulados para as mesmas. Ensaio de permeabilidade - carga varivel:

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No ensaio de carga varivel deixa-se descer ou subir gua no furo, medindo-se o tempo necessrio para uma determinada variao de carga (altura), o mais rpido e fcil, s que somente realizado abaixo no nvel de gua. O furo cheio de gua at o zero da bureta. A velocidade de descida da gua medida atravs das alturas (H2) a intervalos de tempo que so funo do tipo de material, em geral temos: - solos arenosos - 1 a 10 min - solos siltosos - 30 a 60 min - solos argilosos - 1 a 24 horas

O coeficiente de permeabilidade determinado pelas seguintes expresses:

Para o caso B, levanta-se o tubo de revestimento de 25 cm a 1,0m, determinando-se a permeabilidade horizontal;

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Ensaio de permeabilidade - carga constante No ensaio de carga constante a gua acrescentada no interior do revestimento, numa quantidade suficiente para manter um nvel dgua constante, geralmente na boca do revestimento. A gua pode ser adicionada derramando-se de recipientes calibrados ou por bombeamento atravs de hidrmetro. Determina-se a quantidade de gua acrescentada no revestimento a 1, 2 e 5 minutos aps o inicio do ensaio e da por diante a cada 5 minutos de intervalo.

Ensaio com piezmetro Na engenharia geotcnica, piezmetros so instrumentos amplamente utilizados para monitoramento de poro presses em encostas naturais, taludes, obras de terra, etc. Os ensaios com piezmetro so empregados para a

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determinao do k em solos naturais e camadas compactadas. Tendo como principal vantagem a sua simplicidade e rpida execuo. Segundo Tavenas et. al (1986) existem dois tipos de piezmetros (figura 6.13) amplamente empregados: piezmetro cravado e piezmetro escavado. a) Piezmetro do tipo cravado Este piezmetro formado de uma ponteira metlica e um elemento poroso ligado a um tubo de gua. Este tipo de ensaio no deve ser utilizado para solos argilosos, pois no momento da cravao ocorre uma pertubao e colmatao na estrutura do solo (Tavenas et al; 1986). A alterao destas caractersticas do solo natural diminui os valores do coeficiente k encontrados no campo. A figura 6.13 b demonstra o esquema de um piezmetro cravado.

Piezmetro do tipo escavado Herzog (1994) apresenta detalhes construtivos de piezmetros escavados, que foram utilizados para determinao da condutividade hidrulica em depsitos naturais geolgicos dos Estados Unidos. Os ensaios realizados por este autor so do tipo slug test similar aos ensaios realizados por Cunha et al. (1997), Bortoli (1999) e Pinheiro (2000). A execuo de um ensaio de condutividade hidrulica com piezmetro escavado (figura 6.13a) requer basicamente: (a) tubos de PVC com dimetro de 32 a 40mm, visando permitir o aumento do comprimento do tubo de suporte, at atingir-se a profundidade de ensaio (cada extenso realizada por meio de conexes rosqueadas e vedadas), (b) bentonita para a execuo do selo, (c) areia para execuo do filtro (este construdo com areia de granulometria grossa; recomenda-se que seja usada uma camada adicional de alguns centmetros de areia fina sobre a camada de areia grossa, para evitar que a bentonita provoque colmatao do filtro), (d) bureta graduada para a medio do volume de gua infiltrado, (e) trados e hastes para a execuo do furo de sondagem. A equao bsica para a determinao do coeficiente de condutividade hidrulica a partir de

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resultados de ensaios com piezmetros, foi apresentada por Hvorslev (1951). Esta equao requer o conhecimento da relao entre a carga hidrulica aplicada no interior do furo e a vazo medida durante o ensaio, alm do fator de forma da ponteira. Esse fator de forma F uma funo da geometria do piezmetro e do tipo de ensaio (com aplicao de carga hidrulica constante ou varivel). A utilizao desta equao tambm pressupe que o solo seja homogneo e isotrpico. Para uma vazo Q (vazo estabilizada) no piezmetro, sob uma carga hidrulica constante h, Hvorslev (1951) apud Bortoli (1999) prope a utilizao das equaes:

onde: d = dimetro do tubo h1 e h2 as cargas hidrulicas anotadas nos tempos t1 e t2 respectivamente F = fator de forma; O fator de forma F tem sido objeto de considerveis discusses na literatura geotcnica, sendo que vrios autores (Hvorslev, 1951, Wilkinson, 1968, Brandt e Premchitt, 1980) segundo Bortoli (1999) propuseram formulaes para a sua obteno. Na figura 2.13 so apresentadas curvas da normalizao do fator F pelo dimetro do furo de sondagem levando em considerao a geometria do ensaio. A equao 11 introduz um parmetro "m" que quantifica as diferenas entre as diversas modificaes propostas para o fator F.

As equaes originalmente desenvolvidas por Hvorslev (1951) para a interpretao de ensaios com piezmetros correspondiam condio de solo abaixo do nvel de gua. Nesta pesquisa foi utilizado o parmetro m = 1 proposto por Hvorslev (1951), nos clculos dos ensaios com piezmetros escavados.

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Ensaio de perda dgua sob presso (ensaio Lugeon) prtica corrente observar-se no decorrer da execuo de sondagens rotativas perdas de gua parciais ou totais dependendo da importncia e densidade de fissurao da rocha. O ensaio de Lugeon ou de perda dgua nada mais do que um aperfeioamento desta observao. O ensaio de perda dgua permite obter informaes quantitativas sobre a circulao da gua em rochas fissuradas, com o objetivo de julgar as possibilidades de consolidao por injees. O ensaio consiste em injetar, em um trecho de comprimento L, isolado num furo de sondagem por obturadores, gua sob presso constante conforme o esquema apresentado na Figura 6.14. A presso de injeo (Pm) controlada por um manmetro e a descarga (vazo) atravs de um hidrmetro, obtendo-se o volume injetado num certo intervalo de tempo.

Frmulas empricas Hazen: fornece valores de permeabilidade em funo do dimetro e forma dos gros. Vlida somente para solos arenosos (areias fofas e uniformes) Onde, k = coeficiente de permeabilidade D10 = dimetro efetivo das partculas C = coeficiente que para solos arenosos igual a 100.

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Nishida: correlaciona o ndice de vazios com a permeabilidade em argilas saturadas

Onde, k = coeficiente de permeabilidade e = ndice de vazios IP = ndice de plasticidade = constante que depende do tipo de solo e de valor mdio 0,05

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6. Valores tpicos de coeficientes de permeabilidade A Tabela abaixo apresenta valores tpicos do coeficiente de permeabilidade (mdios) em funo dos materiais (solos arenosos e argilosos). Consideram-se solos permeveis, ou que apresentam drenagem livre, so aqueles que tm permeabilidade superior a 10-7 m/s. Os demais so solos impermeveis ou com drenagem impedida. Solo -Pedregulhos -Areia -Areia Siltosa -Argilas Siltosas -Argilas Plsticas K(cm/s) 10-1 10-1 10-3 10-3 10-5 10-5 10-7 < 10-7 Grau de Permeabilidade Alta Mdia Baixa Muito Baixa Baixssima

Fatores que afetam no Coeficiente de Permeabilidade a) Estado do Solo. Quanto mais fofo o solo, mais permevel ele . K=1,4 . k 0,85 . e (Areias puras e graduadas) b) Grau de Saturao. O coeficiente de permeabilidade (K) de um solo no saturado menor do que ele apresentaria se estivesse totalmente saturado. KSolo No Saturado < KSolo Saturado c) Estrutura e Anisotropia Solos residuais: apresentam K maiores em virtude dos macroporos de sua estrutura. Solos compactados: - compactado seco (estrutura floculada) - compactado mais mido (estrutura dispersa) KSolo Estrutura Floculada > KSolo Estrutura Dispersa Exemplo de K para um solo compactado em diferentes teores de umidade (solo da barragem de Ilha Solteira)

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Umidade compactao 17 % 19 % 21 %

de ndice de Vazios 0,71 0,71 0,71

K (m/s) 2 x 10-8 9 x 10-9 5 x 10-9

Geralmente, o solo no isotrpico com relao permeabilidade. - Solos sedimentares Khorizontal > Kvertical - Solos Compactados Khorizontal = 5, 10 ou 15 vezes Kvertical Em virtude da estratificao do solo, os valores de K so diferentes nas direes horizontal e vertical.

d) Temperatura K depende de (peso especfico) e (viscosidade) do lquido. e variam com a temperatura. Quanto maior a T, menor Aumento de K

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7. Variao do coeficiente de permeabilidade de cada solo

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8. Velocidade de descarga e Velocidade real da gua De acordo com a Lei de Darcy, a vazo determinada atravs da equao:Q = Av

Em solos, a gua no passar por toda a rea dos solos, mas apenas nos vazios deste. A velocidade de descarga a quantidade de gua que circula por unidade de tempo atravs de uma superfcie perpendicular as linhas de filtrao. Na imagem abaixo (figura 1A), a velocidade de percolao medida do ponto A ao ponto B ou do ponto C ao ponto D indicada como velocidade de descarga ou de velocidade de aproximao. Quando a gua atravessa atravs do solo, ou seja, de B para C, essa velocidade tem que ser maior por causa da equao da vazo, pois a rea disponvel menor. A partir da correlao da figura 1A com a figura 1B e partindo do pressuposto que a vazo a mesma em qualquer seo, tem-se: Q = Ad vd = Ar vr A relao entre a rea dos vazios e a rea total igual a relao entre os volumes correspondentes:Ad v d = Ar v r Ar v d = Ad v r

Como a porosidade dada por:n= Ar Ad

A expresso para a Velocidade real da gua fica:vr = vd Ad v vr = d Ar n

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O esquema mostra os vazios do solo preenchidos inteiramente por gua, para uma melhor visualizao do fenmeno, criou-se uma correlao (figura 1B) que mostra uma velocidade mdia real da gua no solo. Para facilitar a visualizao na figura 1B, foi realizado um corte transversal. Lembrando que a velocidade calculada a partir da figura 1B apenas uma mdia da velocidade real, uma vez que os espaos vazios por onde a gua percorre um caminho no uniforme.

9. Cargas Hidrulicas Em locais onde h fluxo de gua, conveniente expressar as componentes de energia pelas cargas em termos de altura de coluna dgua. Os princpios hidrulicos que interessam para se descobrir as cargas hidrulicas e piezomtricas esto ilustrados na figura 2A, onde os pontos a e b os extremos da linha de filtragem. Em cada extremo da amostra de solo foi instalado tubos piezomtricos para indicar o nvel que a gua se eleva ou rebaixa entre dois pontos. O nvel da gua no tubo colocado em b se chama nvel piezomtrico e a distncia vertical entre este nvel dgua e o ponto b chamado de altura ou carga piezomtrica em b (carga piezomtrica a presso neutra no ponto, expressa em altura de coluna dgua). A filtrao somente acontece nos casos em que exista uma diferena piezomtrica entre os pontos a e b, chamada de carga hidrulica em a com relao b, visto na figura abaixo. Quando h diferena de cargas totais, h fluxo, e ele seguir o sentido do ponto de maior carga total para o de menor carga total. Tambm deve ser notado que a diferena piezomtrica ser igual a diferena entre as alturas piezomtricas de a e b, somente nos casos em que h diferena de nvel entre a e b: b - a = Carga Hidrulica

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Se a gua se eleva no mesmo nvel em todos os tubos piezomtricos colocados entre a e b, o sistema encontra-se em repouso e, por isso, no h vazo (ver figura 2B). No haver fluxo, ainda que a carga

10. A Permeabilidade na Engenharia Civil Ensaios de campo (in situ) Por mais cuidadosos que sejam os ensaios de permeabilidade em laboratrio, representam somente pequenos volumes de solo em pontos individuais de uma

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grande massa. Portanto, a validade da aplicao dos valores neles obtidos aos problemas de percolao e drenagem depender de como possam ser considerados representativos da massa de solo. Em projetos importantes justifica-se a realizao de determinaes in situ da permeabilidade as quais envolvem grandes volumes de solo fornecendo valores mdios de permeabilidade que levam em conta variaes locais no solo. Por outro lado, eliminam o problema do amolgamento das amostras indeformadas e a dificuldade de amostragem oferecida por algumas formaes especialmente de solos arenosos.

Ensaio de bombeamento: Trata-se de um ensaio de grande uso para a determinao da permeabilidade in situ de camadas de areia e pedregulho. O mtodo consiste em esgotar-se gua do terreno estabelecendo-se um escoamento uniforme, medir a descarga do poo (q) e observar a variao do nvel dgua em piezmetros (h1 e h2 ) colocados nas proximidades, conforme figura abaixo. O poo para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da camada ensaiada e com dimetro suficiente para permitir a insero de uma bomba com tipo e capacidade necessria ao bombeamento. As hipteses bsicas so: 1) o poo de bombeamento penetra em toda a espessura da camada permevel; 2) existe escoamento uniforme; 3) formao homognea e isotrpica; 4) validade da lei de Darcy; 5) validade da hiptese de Dupuit, i = dh/dr = constante.

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O custo do ensaio de bombeamento relativamente alto e, portanto, deve sempre ser precedido por investigaes que estabeleam a natureza geral das formaes. Ensaio de permeabilidade em furos de sondagem: um ensaio de custo baixo quando comparado com o ensaio de bombeamento. Determina-se a permeabilidade de solos e rochas injetando-se gua ou bombeando-se atravs de perfuraes executadas durante a fase de investigao (furos de SPT). Este mtodo est sujeito a uma srie de erros, tais como a falta de preciso nas medidas dos elementos geomtricos, o amolgamento do solo devido perfurao, etc. Alm disso, as frmulas deduzidas para o clculo da permeabilidade so aplicveis somente em casos especficos e, por isso, necessrio muito cuidado para no aplicar frmulas a ensaios cujas condies no se enquadram nos limites estipulados para as mesmas. Os ensaios podem ser de carga varivel ou de carga constante.

1 - Ensaio de permeabilidade - carga varivel: No ensaio de carga varivel deixa-se descer ou subir gua no furo, medindose o tempo necessrio para uma determinada variao de carga (altura), o mais rpido e fcil, s que somente realizado abaixo no nvel de gua. O furo cheio de gua at o zero da bureta. A velocidade de descida da gua medida atravs das alturas (H2) a intervalos de tempo que so funo do tipo de material, em geral temos: - solos arenosos - 1 a 10 min - solos siltosos - 30 a 60 min - solos argilosos - 1 a 24 horas

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O coeficiente de permeabilidade determinado pelas seguintes expresses:

Para o caso B, levanta-se o tubo de revestimento de 25 cm a 1,0m, determinando-se a permeabilidade horizontal;

hc = depende do ensaio ser realizado acima ou abaixo do nvel de gua.

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Ensaio com piezmetro: Na engenharia geotcnica, piezmetros so instrumentos amplamente utilizados para monitoramento de poro presses em encostas naturais, taludes, obras de terra, etc. Os ensaios com piezmetro so empregados para a determinao do k em solos naturais e camadas compactadas. Tendo como principal vantagem a sua simplicidade e rpida execuo. Existem dois tipos de piezmetros amplamente empregados: piezmetro cravado e piezmetro escavado. a) Piezmetro do tipo cravado Este piezmetro formado de uma ponteira metlica e um elemento poroso ligado a um tubo de gua. Este tipo de ensaio no deve ser utilizado para solos argilosos, pois no momento da cravao ocorre uma pertubao e colmatao na estrutura do solo (Tavenas et al; 1986). A alterao destas caractersticas do solo natural diminui os valores do coeficiente k encontrados no campo. A figura abaixo demonstra o esquema de um piezmetro cravado.

b) Piezmetro do tipo escavado Herzog (1994) apresenta detalhes construtivos de piezmetros escavados, que foram utilizados para determinao da condutividade hidrulica em depsitos naturais geolgicos dos Estados Unidos. Os ensaios realizados por este autor so do tipo slug test similar aos ensaios realizados por Cunha et al. (1997), Bortoli (1999) e Pinheiro (2000). A execuo de um ensaio de condutividade hidrulica com piezmetro escavado requer basicamente: (a) tubos de PVC com dimetro de 32 a 40mm, visando permitir o aumento do comprimento do tubo de suporte, at atingir-se a profundidade de ensaio (cada extenso realizada por meio de conexes rosqueadas e vedadas),

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(b) bentonita para a execuo do selo, (c) areia para execuo do filtro (este construdo com areia de granulometria grossa; recomenda-se que seja usada uma camada adicional de alguns centmetros de areia fina sobre a camada de areia grossa, para evitar que a bentonita provoque colmatao do filtro), (d) bureta graduada para a medio do volume de gua infiltrado, (e) trados e hastes para a execuo do furo de sondagem. A equao bsica para a determinao do coeficiente de condutividade hidrulica a partir de resultados de ensaios com piezmetros, foi apresentada por Hvorslev (1951). Esta equao requer o conhecimento da relao entre a carga hidrulica aplicada no interior do furo e a vazo medida durante o ensaio, alm do fator de forma da ponteira. Esse fator de forma F uma funo da geometria do piezmetro e do tipo de ensaio (com aplicao de carga hidrulica constante ou varivel). A utilizao desta equao tambm pressupe que o solo seja homogneo e isotrpico. Para uma vazo Q (vazo estabilizada) no piezmetro, sob uma carga hidrulica constante h, Hvorslev (1951) apud Bortoli (1999) prope a utilizao das equaes:

onde: d = dimetro do tubo h1 e h2 as cargas hidrulicas anotadas nos tempos t1 e t2 respectivamente F = fator de forma; O fator de forma F tem sido objeto de considerveis discusses na literatura geotcnica, sendo que vrios autores (Hvorslev, 1951, Wilkinson, 1968, Brandt e Premchitt, 1980) segundo Bortoli (1999) propuseram formulaes para a sua obteno. Na figura 2.13 so apresentadas curvas da normalizao do fator F pelo dimetro do furo de sondagem levando em considerao a geometria do ensaio. A equao 11 introduz um parmetro "m" que quantifica as diferenas entre as diversas modificaes propostas para o fator F.

As equaes originalmente desenvolvidas por Hvorslev (1951) para a interpretao de ensaios com piezmetros correspondiam condio de solo abaixo

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do nvel de gua. Nesta pesquisa foi utilizado o parmetro m = 1 proposto por Hvorslev (1951), nos clculos dos ensaios com piezmetros escavados.

Ensaio de perda dgua sob presso (ensaio Lugeon): prtica corrente observar-se no decorrer da execuo de sondagens rotativas perdas de gua parciais ou totais dependendo da importncia e densidade de fissurao da rocha. O ensaio de Lugeon ou de perda dgua nada mais do que um aperfeioamento desta observao. O ensaio de perda dgua permite obter informaes quantitativas sobre a circulao da gua em rochas fissuradas, com o objetivo de julgar as possibilidades de consolidao por injees. O ensaio consiste em injetar, em um trecho de comprimento L, isolado num furo de sondagem por obturadores, gua sob presso constante. A presso de injeo (Pm) controlada por um manmetro e a descarga (vazo) atravs de um hidrmetro, obtendo-se o volume injetado num certo intervalo de tempo.

Os resultados dos ensaios de perda dgua podem ser interpretados atravs de um grfico (Figura 6.15) que se obtm marcando no eixo das ordenadas as presses efetivas e no eixo das abscissas as vazes em litro por minuto por metro. Estudos efetuados por Lugeon mostraram que existe certo nmero de diagramas

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caractersticos do regime de escoamento (laminar ou turbulento) do fechamento (colmatagem) ou abertura das fissuras sob presso.

Frmulas empricas - Hazen: fornece valores de permeabilidade em funo do dimetro e forma dos gros. Vlida somente para solos arenosos (areias fofas e uniformes)

Onde, k = coeficiente de permeabilidade D10 = dimetro efetivo das partculas C = coeficiente que para solos arenosos igual a 100. Nishida: correlaciona o ndice de vazios com a permeabilidade em argilas saturadas e = + . log k = 10 . = 0,01 . IP +

Onde, k = coeficiente de permeabilidade e = ndice de vazios IP = ndice de plasticidade = constante que depende do tipo de solo e de valor mdio 0,05

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Referncias

CAPUTO, Homero Pinto. Mecnica dos Solos e Suas Aplicaes. [3ed. Rev. e ampl.]. Rio de Janeiro, Livros Tcnicos e Cientficos; Braslia, INL, 1973. PINTO, Carlos de Souza. Curso bsico de mecnica dos solos em 16 Aulas/ Carlos de Souza Pinto. So Paulo: Oficina de Textos, 2000-02-15 ABNT ASSOCIAO BRASILEIRA DE NORMAS TCNICAS NBR 6502/95 Rochas e Solos; NBR 13292/95 - "Solo - Determinao do coeficiente de permeabilidade de solos granulares carga constante"; NBR 14545/2000 Solo - Determinao do Coeficiente de Permeabilidade de Solos Argilosos a Carga Varivel; http://www.ufsm.br/engcivil/Material_Didatico/TRP1003_mecanica_dos_solos/unidad e_6.pdf

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