ESTUDO DAS PROPRIEDADES HIDRÁULICAS DE SOLOS DE ENCOSTA DO RIO DE JANEIRO

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1 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.

2 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 Residual Maduro Alcalino 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.

3 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 descritos 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

4 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.

5 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, θ r e θ s, 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 Grossa Média Fina Silte Argila 4,1 38,1 31,8 15,7 7,6 2,7 Tabela 2: Granulometria, Campo Grande Gs g d (g/cm³) n LL LP 2,74 1,35 0,505 NL NP Tabela 3: Dados caracterização, Campo Grande

6 Gráfico 1: Curva granulométrica, Solo residual Biotita Gnaisse, Campo Grande Propriedades Hidráulicas Campo Grande θ r θ s α (cm -1 ) n k sat (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 g d (g/cm³) n LL LP 2,81 1,39 0,51 NL NP Tabela 5: Dados caracterização, Costa Brava Pedregulho Grossa Média Fina Silte Argila 12,0 35,0 28,1 11,2 6,1 4,9 Tabela 6: Granulometria, Costa Brava

7 Porcentagem que passa Departamento de Engenharia Civil Diâmetro dos grãos (mm) Porcentagem retida CB21/22 CB21/22 Gráfico 2: Curva granulométrica, Solo residual Gnaisse Facoidal Costa Brava Propriedades Hidráulicas - Costa Brava θ r θ s α (cm -1 ) n k sat (cm/s) 0,065 0,506 0, ,6782 0, Tabela 7: Propriedades hidráulicas, Solo Residual, Costa Brava Gráfico 3: Condutividade Hidráulica, Costa Brava

8 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 Grossa Média Fina Silte Argila 0,4 3,8 24,4 33,4 36,6 1,3 Tabela 7: Granulometria, Duque de Caxias Gs g d (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

9 Gráfico 5: Curva granulométrica, Solo residual de Migmatito, Duque de Caxias Propriedades Hidráulicas - Residual Jovem de Migmatito, Duque de Caxias θ r θ s a(cm -1 ) n k sat (cm/s) 0,007 0,55 8,99E-03 1,28E+00 3,09E-04 Tabela 9: Propriedades hidráulicas, Solo Residual, Duque de Caxias

10 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,

11 Porcentagem que passa Departamento de Engenharia Civil 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, Diâmetro dos grãos (mm) RB RT Porcentagem retida Solo Residual Jovem, Rio Bonito: Gráfico 8: Curva granulométrica, Rio Bonito Pedregulho Grossa Média Fina Silte Argila 14,9 38,1 15,0 11,5 16,9 3,5 Tabela 10: Granulometria, Rio Bonito Gs r d (g/cm³) n LL LP IP 2,741 1,604 0,41 34, ,6443 0, 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, ,1622 0, Tabela 12: Propriedades Hidráulicas, Rio Bonito

12 Gráfico 9: Condutividade Hidráulica, Rio Bonito Solo Residual Maduro, Rio Bonito: Gráfico 10: Curva Característica, Rio Bonito Pedregulho Grossa Média Fina Silte Argila 0,9 15,1 7,3 18,9 34,0 23,8 Tabela 13: Granulometria, Rio Bonito

13 g d (g/cm³) n LL LP IP 2,74 0,54 47, ,4669 8, 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, ,4535 5,92E-05 Tabela 15: Propriedades Hidráulicas, Rio Bonito Gráfico 11: Condutividade Hidráulica, Rio Bonito

14 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 Grossa Média Fina Silte Argila 0,1 0,2 14,7 17,4 2,8 64,8 Tabela 16: Granulometria, Campo Exp. PUC-Rio Gs g d (g/cm³) n LL LP IP ,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

15 Porcentagem que passa Departamento de Engenharia Civil Diâmetro dos grãos (mm) Porcentagem retida 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 arenosiltosos (SW e SM) com pouca plasticidade e apresentaram índices físicos médios de Gs igual a 2,68, ρ d (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 K sat 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 θ r e θ s 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, [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, [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.

16 [4] Moncada, M. P. Avaliação de Propriedades Hidráulicas de Solos Tropicais Não Saturados. Tese de Doutorado DEC/ PUC-RIO, Rio de Janeiro, [5] Velloso, R. Q. Estudo numérico da estimativa de parâmetros hidráulicos em solos parcialmente saturados. Dissertação de Mestrado DEC/PUC-Rio, Rio de Janeiro, [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.

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