Aplicação dos Conceitos de Solos Não Saturados na Engenharia Geotécnica

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1 Aplicação dos Conceitos de Solos Não Saturados na Engenharia Geotécnica Fernando A. M. Marinho Data: 20 e 21 de Julho de 2011 Local: Laboratório de Geotecnia Ambiental Grupo de Resíduos Sólidos da UFPE Departamento de Engenharia Civil CTG/UFPE Programa do Curso 1. Breve histórico 2. Ação capilar 3. Termodinâmica 4. Definições de Sucção 5. Retenção de Água em Meios Porosos 6. A Curva de Retenção de Água 7. Entendendo a Curva de Retenção 8. Como Medir o Teor de Umidade 9. Como Medir a Sucção 10. Aplicações a. Encostas, b. Aterros c. Túneis d. Solos Potencialmente Expansivos 1

2 Aspectos Gerais Por que estudar solos não saturados? A condição saturada é sempre mais segura? Pode haver economia no projeto? É útil para análises de problemas? É a única solução em muitos casos? É importante se ter a visão não saturada? Aspectos Gerais O Clima da Terra 2

3 Aspectos Gerais Peixoto and Kettani, 1973 A capacidade da atmosfera de reter água é aproximadamente 30 vezes menor do que a precipitação total na Terra. Isto indica a velocidade com que a água circula entre a atmosfera e a superfície da Terra. Aspectos Gerais Existe uma condição de equilíbrio dinâmico. A própria natureza pode quebrar este equilíbrio (tempo de recorrência). Qualquer intervenção do homem altera este equilíbrio, mesmo que localmente. 3

4 25/07/2011 Aspectos Gerais Aspectos Gerais wastec.isproductions.net/.../ anmviewer.asp?a=438 4

5 A Água H o H + Polaridade Molecular e O - Ligação de Hidrogênio As moléculas de água (H 2 O) são polares porque o hidrogênio divide um eletron com um atomo de oxigênio Os atômos de hidrogênio, com cargas elétricas positivas são posicionados do mesmo lado do atômo de oxigênio que possui carga elétrica negativa 5

6 25/07/2011 Atuando no Líquido O Solo e a Água Saturado Capacidade de Campo Residual 6

7 Entrada de Água Entrada de Ar Diagrama de Fases 220 atm 1 atm 0 atm 0 o C 21 o C 100 o C 374 o C 7

8 Ação Capilar A ação capilar está fortemente relacionada com as propriedades de adesão da água Capilaridade e Zona Vadosa e Taludes Visão do Problema Zona Vadosa Franja capilar Fluxo da água subterrânea Zona Saturada Nível do lençol freático 8

9 Ação capilar - Teoria R h c = p gρ 2γ p = r r r = R Ângulo de contato = zero h c 2γ = g ρ r h c r R Ângulo de contato > zero h c 2γ cosθ = g ρ r Patm Patm O equilíbrio acontece quando as força da gravidade é contra-balançada pelas forças devidas a tensão superficial. A B Ação capilar - Teoria Massa total de água no tubo r 2 ρw g( πr hc + V ) h c O sistema estando em equilíbrio tem-se: 2 ( r h V ) 2πrγ cosθ = ρw g π c + V é o volume do anel capilar que pode ser desconsiderado h c 2γ cosθ = ρ gr w 9

10 Ação capilar - Teoria Capillary Height (m) h 12 c ( cm) = r( cm) ,001 0,01 0,1 1 Capillary radius radio (mm) Ação capilar S<100% S=100% Capillaridade N.A. S=100% 10

11 Visão do Problema Precipitação Movimento de vapor T Ascensão Capilar Infiltração Lateral Eventual fluxo Ação Capilar 11

12 Ação Capilar Tubos com diferentes diâmetros Ação Capilar Mesmos tubos preenchidos com areia 12

13 Ação Capilar Tubos com o mesmo diâmetro preenchidos com materiais dieferentes 13

14 Termodinâmica Ramo da física e da química que estuda a transformação de energia de uma forma para outra. A Lei ZERO da Termodinâmica estabelece que o equilíbrio termodinâmico é uma relação de equivalência B Se dois sistemas termodinâmicos estão em equilíbrio com um terceiro, eles estão em equilíbrio entre eles. C Conceitos de Termodinâmica Interface Plana Ar - Água Umidade Relativa (RH) - 100% Água Pura 14

15 Conceitos de Termodinâmica Umidade relativa pode ser definida como a relação entre a densidade do vapor de água (massa por unidade de volume) e a densidade do vapor de água na saturação. densida de do vapor RH (%) = *100 densidade do vapor saturado A umidade relativa do ar também é a relação entre a pressão de vapor e a pressão de vapor na saturação. pressão de vapor RH (%) = *100 pressão de vapor na saturação Conceitos de Termodinâmica Interface Ar-Água Curva RH < 100% Água Pura Tubo Capilar 15

16 Conceitos de Termodinâmica Ponto A Vapor p V fv = fl fv = νv pv e V dpv = ν LdpL ν fl = ν L pl Lei dos Gases Ideais P V h _ T p Sucção = R ln B ν LM pa RH = pb pa Liquido Sucção = ln( RH ) Conceitos de Termodinâmica Relative Humidity (%) Relative Humidity (%) Suction (kpa) E+006 1E+007 Suction (kpa) 16

17 Conceitos de Termodinâmica Energia Livre no Equilíbrio Material Poroso - Solo Ar Solução 0 Energia Livre Inicial Conceitos de Termodinâmica Molaridade = Mol litro de solução 1 mol de NaCl vale g g = g 17

18 Conceitos de Termodinâmica Umidade Relativa (%) Soluções Cloreto de Lítio Cloreto de Magnésio Carbonato de Potássio Bromato de Sódio Cloreto de Sódio Cloreto de Potássio Sulfato de Potássio Cloreto de Lítio LiCl 11.3 Cloreto de Magnésio MgCl 33.1 Carbonato de Potássio K 2 CO Bromato de Sódio NaBrO Cloreto de Sódio NaCl 75.7 Cloreto de Potássio KCl 85.1 Sulfato de Potássio K 2 SO Dados: Department of Biology University of Colorado Relative Humidity (%) E+006 1E+007 Suction (kpa) Conceitos de Termodinâmica Soil Water + Soil Particles RH 1 RH 2 (a) Soil Water Soil Water RH 2 RH 3 (b) Pure Water Soil Water + Soil Particles RH 1 RH 3 (c) Pure Water 18

19 Capilaridade Retenção - Resistência Visão do Problema Componentes da Sucção Sucção Total Sucção Matricial Sucção Osmótica 19

20 Componentes da Sucção membrana permeável A água e solutos Membrana semi-permeável Solução do Solo Solo Úmido Água Pura Sucção Matricial Sucção Osmótica Sucção Total Próxima Aula 1. Breve histórico 2. Ação capilar 3. Termodinâmica 4. Definições de Sucção 5. Retenção de Água em Meios Porosos 6. A Curva de Retenção de Água 7. Entendendo a Curva de Retenção 8. Como Medir o Teor de Umidade 9. Como Medir a Sucção 10. Aplicações a. Encostas, b. Aterros c. Túneis d. Solos Potencialmente Expansivos 20