Determinação de Curvas Características Utilizando uma Pequena Centrífuga e o Método do Papel Filtro

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1 Determinação de Curvas Características Utilizando uma Pequena Centrífuga e o Método do Papel Filtro Eduardo Souza Cândido Universidade Federal de Viçosa, Viçosa MG, Brasil, eduardo.candido@ufv.br. Roberto Francisco de Azevedo Universidade Federal de Viçosa, Viçosa MG, Brasil, razevedo@ufv.br. Emmanuel Kennedy da Costa Teixeira Universidade Federal de Viçosa, Viçosa MG, Brasil, emmanuel.teixeira@ufv.br. Thais Simões Coelho de Souza Universidade Federal de Viçosa, Viçosa MG, Brasil, thais.c@ufv.br. Lucas Martins Guimarães Universidade Federal de Viçosa, Campus Rio Paranaíba MG, Brasil, guimaraeslm@ufv.br. Leonardo Carvalho Mesquita Universidade Federal de Viçosa, Viçosa MG, Brasil, leonardo.mesquita@ufv.br. RESUMO: Muitos projetos geotécnicos envolvem solos em condições não saturadas. Por este motivo, o estudo do comportamento de solos nestas condições tem aplicação em vários tipos de projetos de engenharia. Neste trabalho discute-se a determinação de curvas de retenção de água (CRA utilizando o método do papel filtro e uma centrífuga de pequeno porte. As curvas de retenção de água foram estudadas para três solos não saturados da região de Viçosa-MG. Inicialmente as amostras de solos foram saturadas e submetidas a um movimento circular na centrífuga, gerando uma aceleração centrípeta e uma força de massa suficiente para vencer as forças capilares e forçar a drenagem do fluido. A sucção a cada estágio de rotação é calculada através de formulações propostas na literatura e o teor de umidade volumétrico é obtido através de pesagem do corpo de prova. Devido à limitação do equipamento, a parte final da CRA é executada através do método do papel filtro, onde se mediu o potencial matricial da água em amostras cujas umidades foram previamente estabelecidas, utilizando-se curva de calibração adequada. Neste trabalho, foram utilizados os modelos de Gardner e van Genuchten para ajustar os pontos experimentais e assim avaliar os modelos de ajustes das curvas características. Verificou-se que os pontos obtidos pelo método da centrífuga tiveram boa adequação aos pontos oriundos do método do papel filtro, que as curvas se ajustaram consideravelmente bem as equações propostas pelos métodos de ajustes usados e que as CRAs obtidas encontram-se dentro das faixas encontradas na literatura para solos semelhantes. PALAVRAS-CHAVE: Curva de retenção de água, solos não saturados, ensaios de laboratório, papel filtro, centrífuga. 1 INTRODUÇÃO Em problemas geotécnicos de fluxo, uma das principais variáveis que caracterizam o comportamento hidráulico em um meio não saturado é a curva de retenção de água (CRA. O conhecimento desta curva é fundamental para analisar o comportamento não saturado dos solos. A determinação das curvas de retenção é feita em laboratório seguindo trajetórias de secagem e/ou umedecimento, que proporcionam curvas não

2 coincidentes devido à histerese da curva característica de sucção. Outros fatores que interferem nas curvas são a granulometria, a mineralogia, a estrutura do solo e a temperatura. Existem diversas técnicas para medição da sucção em solos, dentre elas pode-se citar: psicrômetro, papel filtro, tensiômetros, translação de eixos, condutividade térmica e condutividade elétrica. Guimarães (2013 utilizou uma centrífuga de pequeno porte, comumente usada em aplicações médicas, para obter as propriedades hidráulicas de solos. A técnica consiste em ensaiar amostras de solos inicialmente saturadas, submetendo-as a um movimento circular que promove uma drenagem mais rápida do fluido contido nos poros do solo. A sucção em qualquer ponto da amostra de solo centrifugada é calculada através de equações já estabelecidas na literatura. Neste trabalho apresentam-se curvas de retenção de água obtidas utilizando o método do papel filtro e uma centrífuga de pequeno porte. Devido ao atual limite do equipamento desenvolvido, a utilização da centrífuga é adequada até sucções da ordem de 250 kpa, os pontos com sucções mais altas foram obtidos através do método do papel filtro, de modo a se obter uma única CRA para cada amostra. areia, silte e argila, limites de Atterberg, índices físicos, permeabilidade e a classificação de acordo com o Sistema de Classificação Unificado. Tabela 1. Resultados dos Ensaios de Caracterização, classificação e propriedades dos solos. Amostra Areia (% Silte (% Argila (% LL (% LP (% IP (% γs (KN/m³ 27,09 27,06 30,46 γd máx (kn/m³* 14,96 15,76 14,13 Teor de Umidade Ótimo (%* 26,0 18,83 31,11 e 0,81 0,72 1,15 K (cm/s 1,45E-07 2,50E-04 6,80E-05 Classificação Areia fina Argila siltosa Silte arenoso Granulométrica siltosa SUCS CH SC MH *Energia de compactação: Proctor Normal. 2.2 Método da Centrífuga Equipamento A Figura 1 apresenta a centrífuga médica utilizada que foi modificada para medir a relação entre sucção de um solo e o seu teor de umidade (Guimaraes, MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Materiais Os solos ensaiados, típicos da região na qual se encontra a cidade de Viçosa, Minas Gerais, foram coletados em locais distintos de um talude de solo residual de gnaisse localizado no campus da Universidade Federal de Viçosa (UFV. Retiraram-se amostras de três diferentes solos, um mais argiloso, outro mais arenoso e outro mais siltoso, sendo estas submetidas a ensaios de laboratório caracterização, curva de retenção de água e permeabilidade saturada. A tabela 1 apresenta as porcentagens de Figura 1. Centrífuga médica Cientec CT Tradicionalmente, as centrífugas comercialmente disponíveis dispõem de raios entre 18 e 35 cm e velocidades angulares que podem variar de 300 a 6000 rpm, contendo quatro ou seis cestas giratórias. A centrífuga

3 usada neste trabalho tem 18 cm de raio, possui uma rotação máxima de 3500 rpm, e contém 4 cestas giratórias nas quais são colocadas as amostras de solo. As cestas giratórias da centrífuga são móveis, ficam na vertical quando a centrífuga está parada e, à medida que a centrífuga começa a rodar, giram para a posição horizontal Metodologia do Ensaio Inicialmente, o solo é umedecido até atingir o teor de umidade desejado e deixado em descanso por 24 horas em embalagem plástica de forma a uniformizar a umidade da amostra. Com um molde de PVC (Figura 2 de volume conhecido, com o teor de umidade e o peso específico dos sólidos, determina-se a massa de solo úmido a ser colocado no molde. O solo é compactado de forma estática em uma prensa, utilizando um cilindro de PVC, que possui o mesmo diâmetro do anel amostrador. Figura 2. Molde de PVC com o anel metálico; e Molde preenchido com o solo para ser compactado na prensa hidráulica. O corpo de prova (CP é retirado utilizandose um extrator, mantendo-se fixo o molde e empurrando-se a parte interna, composta do anel amostrador e cilindro. De posse do anel metálico com o solo, realiza-se o umedecimento do CP, borrifando água no mesmo com o propósito de levar a sua umidade gravimétrica até um valor próximo à saturação. Este processo deve ser feito a uma distância que a água não danifique o corpo de prova e tem como objetivo fazer com que todos os CPs ensaiados sigam trajetórias hídricas semelhantes antes da aplicação da sucção matricial. O solo saturado, quando submetido à centrifugação, gera uma tensão de umidade decrescente ao longo do eixo de rotação da centrífuga. De maneira geral, a distribuição da tensão ao longo do eixo pode ser prevista pela seguinte equação (Freitas Júnior & Silva, 1984: dh 2 g 1 rd r (1 onde é a derivada da carga de sucção (pressão negativa na amostra de solo (cm causado pela centrifugação; ω é a velocidade angular (rad ; g é a aceleração da gravidade (981 cm ; r é a distância do eixo da centrífuga até determinada seção transversal da amostra (cm; é a derivada de r. A integração da equação 1, no intervalo de r até a superfície externa saturada da amostra, mantida sempre saturada durante o processo de centrifugação, resulta na função que descreve a variação da carga de sucção ao longo da amostra de solo após o equilíbrio, ou seja: h g (re r (2 2 onde é a carga de sucção na amostra de solo (cm na superfície r, causada pela centrifugação; é o raio externo (cm da amostra de solo na centrífuga. A carga de sucção média, estabelecida na amostra de solo, no intervalo de (raio interno a, é determinada pela seguinte equação (Freitas Júnior & Silva, 1984: h g L(3re L (3 6 onde L é o comprimento da amostra ao longo do eixo da centrífuga (cm, ou seja, a diferença ( -. Devido a limitação de resistência das pedras porosas utilizadas, observou-se que para rotações acima de 2500 rpm as mesmas começavam a quebrar, assim foram aplicadas rotações de 300, 500, 800, 1100, 1300, 1500, 1700, 1900, 2200 e 2500 rpm, correspondentes às sucções de 2,88, 8,00, 20,50, 38,76, 54,14, 72,08, 92,58, 115,64, 155,04 e 200,21 kpa para o solo argiloso e

4 3,37, 9,35, 23,93, 45,24, 63,19, 84,13, 108,06, 134,98, 180,97, e 233,69 kpa para o solo argiloso e arenoso utilizando 1 amostra de cada tipo de solo. A diferença das sucções obtidas se deu devido à utilização de bandejas para colocação das amostras de tamanhos distintos, o que alterou os valores do e consequentemente os valores de tensões. Ao final dos períodos de centrifugação de 30 minutos, determinou-se, por meio de pesagens sucessivas, o conteúdo de umidade remanescente nas amostras de solo. Dessa forma, com as sucções e os teores de umidade obtidos através de cada pesagem foi possível plotar uma parte da curva de retenção; que será complementada através do método do papel filtro. Face às dificuldades experimentais para obtenção da curva característica, várias proposições empíricas foram sugeridas para simular a curva característica. Algumas modelam a função que relaciona sucção com umidade (Gardner, 1958; Brooks e Corey, 1964; Farrel e Larson; 1972; Roger e Hornberger, 1978; William et al, 1983; McKee e Bumb, 1987; Haverkamp e Parlange, 1986; van Genuchten, 1980; Fredlund e Xing, Outras propõem a obtenção da curva característica a partir das curvas de distribuição granulométricas (Ghosh, 1980, Rawls e Brakensiek, Neste trabalho serão utilizados os modelos de Gardner (1958 (Equação 4 e van Genuchten (1980 (Equação 5 para comparação com o método experimental. ( h ( h ( s r r (4 n 1 ( h ( s r r (5 n m (1 h onde é a carga de sucção matricial (cm, é o teor de umidade volumétrica (cm³/cm³, é o teor de umidade volumétrica residual (cm³/cm³, é teor de umidade volumétrica de saturação (cm³/cm³, m e n são parâmetros de ajuste da curva. 2.3 Método do Papel Filtro Os procedimentos utilizados no ensaio foram basicamente os descritos na norma da ASTM Para obtenção dos pontos pela técnica do papel filtro, foi utilizado o papel filtro Whatman nº 42. Primeiramente os corpos de prova foram moldados dentro de um anel de PVC de diâmetro interno e altura padronizados, determinando-se seus teores de umidades e promovendo o umedecimento dos mesmos até à saturação; através da aspersão de água a uma distância de aproximadamente 60 cm. Conhecendo previamente os índices físicos e sendo controlados por pesagens sucessivas, os CPs foram deixados secar até atingirem o teor de umidade desejado. Os papéis filtro foram cortados no diâmetro desejado e, então, colocados cuidadosamente, um na superfície superior e outro na inferior de cada corpo de prova. Após o posicionamento dos papéis filtro envolviamse os CPs com filme plástico, colocando-se discos de PVC para aumentar o contato do papel com o solo. Em seguida, os corpos de prova foram identificados e colocados dentro de um recipiente com tampa, sendo este colocado na câmara úmida por 7 dias. Após esse período o filme plástico que envolvia o corpo de prova foi removido, e o papel filtro foi retirado com auxílio de uma pinça e colocado na balança analítica com precisão de 0,0001g para determinação do seu teor de umidade. Após a pesagem, o papel filtro úmido foi colocado na estufa, por um período de 2 horas, a uma temperatura de 105ºC. Posteriormente a secagem em estufa, o papel foi pesado para determinar o seu peso seco. Durante os processos de manuseio, o papel filtro não ficou exposto ao ar por mais que 5 segundos, de forma a minimizar perda ou ganho de sua umidade. Calculado o teor de umidade do papel filtro (w, a sucção matricial do solo é determinada para umidades do papel filtro superiores a 47% pela Equação 6 ou inferiores ou iguais a 47% pela Equação 7, utilizando as curvas de calibração do papel filtro Whatman Nº42 obtidas por Chandler et al., (1992.

5 (6,052,48logw (6 10 (4,840,0622w 10 (7 onde ψ é a sucção do solo em kpa e w é o teor de umidade do papel filtro. Ao se utilizar esta técnica, o ideal é que cada valor de sucção seja determinado pela média de pelo menos dois resultados. 3 RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1 Curvas de retenção de água As figuras 3 e 4 a seguir apresentam as curvas de retenção de água obtidas para os três solos ensaiados utilizando-se os métodos da centrífuga e papel filtro. Figura 4. Curvas de Retenção de Água ajustadas por van Genuchten (1980. Amostra 1, solo argiloso. Amostra 2, solo arenoso. Amostra 3, solo siltoso. Através das figuras apresentadas e da tabela comparativa (Tabela 2 pode-se verificar que a concordância entre os resultados de laboratório e as equações de van Genuchten (1980 e Gardner (1958 é satisfatória. Tabela 2. Porcentagem de erro entre as curvas obtidas pelos métodos experimentais e os métodos empíricos. Método Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Gardner 5,073 5,187 5,419 van Genuchten 3,647 3,921 5,409 Figura 3. Curvas de Retenção de Água ajustadas por Gardner (1958. Amostra 1, solo argiloso. Amostra 2, solo arenoso. Amostra 3, solo siltoso. As tabelas 3 e 4 apresentam os parâmetros obtidos pelo melhor ajuste aos resultados experimentais pela trajetória de umedecimento, respectivamente, pelos modelos de Gardner (1958 e van Genuchten (1980. Tabela 3. Parâmetros de ajuste das Curvas de Retenção de água por Gardner (1958. Parâmetros Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 α (cm -1 4,2E-02 5,7E-02 2,6E-02 n 7,4E-01 9,7E-01 1,2E+00 θr (cm³/cm³ 3,2E-02 2,1E-02 1,7E-02 θs (cm³/cm³ 4,7E-01 4,2E-01 5,4E-01

6 Tabela 4. Parâmetros de ajuste das curvas de Retenção de Água por van Genuchten (1980. Parâmetros Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 α (cm -1 7,3E-05 2,9E-04 2,3E-02 m 1,7E+01 2,4E+01 1,1E+00 n 5,1E-01 6,8E-01 1,2E+00 θr (cm³/cm³ 3,2E-02 2,1E-02 1,7E-02 θs (cm³/cm³ 4,7E-01 4,2E-01 5,4E Comparações A forma da curva característica é afetada por diversos fatores (por exemplo, Presa, 1982; Jucá, 1990; de Campos et al., Um deles é o tipo de solo, tanto no que se refere a aspectos granulométricos quanto a mineralógicos. Em solos argilosos, tanto as forças capilares como as de adsorção são significativas, enquanto que, de uma maneira geral, estas últimas são pequenas em solos arenosos. Pelos resultados obtidos observou-se a superposição das curvas dos demais tipos de solos em relação à amostra 02 (arenosa como já havia mostrado Fredlund e Xing (1994 (Figura 5. menor inclinação do ponto de valor de entrada de ar; características estas típicas de curvas de solos argilosos. 4 CONCLUSÕES As curvas de retenção de água obtidas pelo método do papel filtro e uma centrífuga de pequeno porte se ajustaram consideravelmente bem. As equações propostas por Gardner (1958 e van Genuchten (1980 representaram bem o comportamento dos solos, como pode ser confirmado pela Tabela 2. Existem diversos fatores que influenciam nas curvas de retenção de água, baseado unicamente na granulometria dos solos verificou-se uma concordância das CRAs obtidas com as curvas propostas pela literatura. É notório ainda que a sucção total correspondente ao teor de umidade zero parece ser essencialmente o mesmo para todos os tipos de solo. Esta sucção seria em torno de kpa, confirmado experimentalmente para uma série de solos (Croney & Coleman, 1961 e também por considerações termodinâmicas (Richards, AGRADECIMENTOS À CAPES pela bolsa de mestrado concedida ao primeiro autor e também a Universidade Federal de Viçosa pela estrutura concedida para a realização dos trabalhos. Figura 5. Curvas de Retenção de Água para diferentes tipos de solos. (adaptada de Fredlund e Xing, Na curva da amostra 03 é possível perceber ainda uma clara definição do valor de entrada de ar (valor da sucção mátrica que tem de ser excedida para o ar poder entrar para os vazios do solo e do teor de umidade residual, iguais a respectivamente, a 60 kpa e 0,04 cm³/cm³ aproximadamente. Nas curvas da amostra 01 (argilosa percebe-se uma inclinação mais suave e uma REFERÊNCIAS ASTM D Standard test method for measurement of soil potential (suction using filter Paper, Brooks, R.H. e Corey, A.T. (1964. Hydraulic properties of porous medium. Hydrology Paper 3. Colorado State University, Fort Collins, Colorado. 27 p. Brooks, R.H. e Corey, A.T. (1966. Properties of porous media affecting fluid flow. In Journal of the Irrigation and Drainage Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers. v. 92. p Campos, J.L.E., Vargas Jr, E.A. e de Campos, T.M.P. (1992. Avaliação de Campo da Permeabilidade

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