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

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1 Departamento de Engenharia Civil ESTUDO DAS PROPRIEDADES HIDRÁULICAS DE SOLOS DE ENCOSTA DO RIO DE JANEIRO Introdução Aluno: Alexandre Rodrigues Orientador: Eurípides Vargas do Amaral Junior O solo tem sido referido como uma zona crítica. É um ponto focal das atividades humanas, é suporte dos processos da vida e responde aos impactos de gestão da terra e água. A qualidade da vida humana e ambiental é altamente dependente de processos em solos; produção de alimentos, obtenção de água, produção de energia e eliminação de resíduos. Um paradigma que vem emergindo é obter meios de prevenção e controle do comportamento de superfície e subsuperfície de solos; dinâmica da água, ocupação e transformação, armazenamento e liberação de elementos bioativos, manutenção da produtividade e da diversidade biológica, e regulação dos fluxos de gases entre a biosfera e a atmosfera; principalmente em zonas não saturadas. O Rio de Janeiro, devido ao seu relevo acidentado e clima tropical, têm como característica o uso e ocupação das regiões de encosta, onde apresentam solos residuais. Atrelado ao uso e ocupação inadequados, as características desse tipo de solo favorecem escorregamentos superficiais e planares, afetando áreas muito povoadas e de baixa renda, gerando, além de problemas ambientais, problemas sociais. As chuvas, que regem o regime de infiltração, são os principais agentes que provocam esses escorregamentos, cujas causas são o aumento de poropressão devido ao fluxo subsuperficial, provocando perda da sucção mátrica e da resistência ao cisalhamento do solo. A análise analítica e numérica de parâmetros regidos pelas propriedades de resistência e pelas propriedades hidráulicas de solos não saturados envolvidos em instabilidade de encostas do Rio de Janeiro e de toda região ao redor, devido aos processos de infiltração da água de chuva, permite a previsão de possíveis consequências desse fenômeno cada vez mais frequentes. Solos não saturados Solos não saturados são compostos por três fases: sólida, líquida e gasosa. A fase sólida é composta por partículas minerais do solo e matéria orgânica, a fase líquida corresponde à água presente no solo, que encontra-se sob uma pressão negativa (sucção), e a fase gasosa é o ar livre presente nos poros do solo não preenchido por água. A grande maioria dos solos encontra-se no estado não saturado, porém há pouco desenvolvimento de solução práticas dos problemas que envolvem solos não saturados. Segundo Holtz et al (1974) apud Fredlund (1979) as razões para o não desenvolvimento de pesquisa prática em solos não saturados são: (i) a falta de uma ciência apropriada com uma base teórica sólida, (ii)

2 problemas com os estados de tensões e seus mecanismos, (iii) a não compreensão das propriedades do solo e (iv) a dificuldade de prever as condições de contorno para análises. O estudo desse tipo de solo se faz cada vez mais importante, residindo no fato de que os solos não saturados envolvem fenômenos de aspectos ambientais, econômicas e sociais. Vale ressaltar alguns conceitos importantes dos solos não saturados. Curva Característica (CC) 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. Permeabilidade saturada e não saturada e Condutividade Hidráulica Permeabilidade é a medida da capacidade de um meio poroso em transmitir um fluido. Quanto menor a presença de água no solo, maior é a dificuldade da água fluir na matriz porosa do solo e menor é a permeabilidade. 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. A curva de condutividade hidráulica é função da sucção e do índice de vazios [2] e varia de acordo com a presença de água no solo. Ensaios em solos não saturados Existem alguns métodos disponíveis para a medição de componentes potenciais de água no solo. Cada método tem suas vantagens e desvantagens, por isso, nenhum método é melhor. Vamos ressaltar o tensiômetro, que foi o principal método utilizado neste trabalho e o MPS 2. Tensiômetro Tensiômetro é talvez o método de medida mais comum do potencial mátrico do solo in situ.um tensiômetro consiste de um tubo de acrílico herméticamente fechado, cheio de água, com uma pedra porosa de cerâmica na parte inferior. Na parte superior possui um transdutor ou um calibrador para aferir os dados do valor da sucção. Os poros da pedra porosa são pequenos o suficiente para reter a água sob pressão (positiva ou negativa). A água se move para dentro ou para fora do tubo, em resposta ao potencial mátrico do solo não saturado. Quando um equilíbrio é atingido, a energia potencial da água no interior do tensiômetro é o mesmo que a energia potencial da água do solo do lado de fora da pedra porosa. Isso aumenta ou reduz a pressão de ar no espaço da parte superior do tubo, o qual é medido com o calibrador ou transdutor de pressão.

3 Estritamente falando, um tensiômetro também mede o efeito do potencial do ar em um solo não saturado. Se há uma diferença entre a pressão de ar no solo, onde se encontra a pedra porosa, e a pressão atmosférica acima da superfície do solo, irá afectar a leitura no medidor. MPS Potencial de Água Dielétrico Figura 1: Tensiômetro Irrometer O MPS 2, utilizado no trabalho, mede uma ampla variedade de potenciais da água de solos (-5 à -500 kpa), principalmente para zonas vadosas. É um sensor colocado em uma cavidade do solo conectado a um data logguer, e deixado em campo para registrar os dados de potenciais da água. Possui uma amplitude maior de uso que o tensiômetro. Objetivos Figura 2: Sensor de Potencia de água Dielétrico Obter medidas do potencial matricial de água no solo na encosta do campus experimental da PUC-Rio utilizando tensiômetro e o sensor de potencial de água a fim de se

4 verificar a poropressão em um solo não saturado e obter uma equivalência dos resultados entre ambos os equipamentos. Obtenção das características do solo, a partir de amostras coletadas no campo e levadas ao laboratório para ensaios de caracterização física. Metodologia As etapas descritas a seguir descrevem o processo de medida da sucção do solo com a utilização do tensiômetro. Para este trabalho seguiu-se o seguinte caminho: Conferir se a sucção do tensiômetro em água está em torno de zero, condição essa em que a pedra porosa está saturada; -Caso contrário, aplicar vácuo com a bomba até conseguir a sucção próxima de zero em água. Fazer um furo de 20 a 25 cm de profundidade e aproximadamente 16 cm de diâmetro no solo; Conectar o tensiômetro ao data logger e este ao computador. Abrir o programa de leitura de dados; Inserir o tensiômetro no solo na posição vertical; Obs: para solos argilosos, passar uma pasta de solo em torno da cápsula. Observar a variação do valor da sucção até se manter constante. Neste valor houve a equalização do potencial do tensiômetro com o solo. Assim, tem-se o resultado do potencial mátrico do solo (sucção). Tabela 1: Tabela de execução do ensaio por etapas. Área de estudo Figura 3: Ensaio de leitura da sucção do solo O estudo se concentrou no Campo Experimental da PUC-Rio, uma região de encosta com solo residual, com classificação geotécnica de colúvio transportado, proveniente da decomposição do gnaisse Kinzigito.

5 Figura 4: Vista aérea da área de execução dos ensaios. Imagem via Google Earth. Caracterização Física Com as amostras de solo colhidas em cápsulas e levadas ao Laboratório de Geotecnia da PUC-Rio, foram realizados alguns ensaios para a caracterização física do solo, a fim de obter sua classificação. Os ensaios laboratoriais realizados foram: 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. Para este solo a análise granulométrica foi realizada por combinação do método de peneiramento (para fração grossa) e sedimentação (para fração mais fina do solo), ambos realizados conforme a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) na norma NBR 6502/95. Limites de Liquidez e Limite de Plasticidade 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 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) é obtido pela diferença entre o limite de liquidez (LL) e limite de plasticidade (LP). Ensaio de Infiltração Monitorada EIM 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, é possível a identificação dos parâmetros hidráulicos do modelo de Van Genuchten. Após a realização dos ensaios de infiltração monitorada os parâmetros são retro-analisados com uso

6 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 (umidade volumétrica residual) com valores próximos a 10% de θs (umidade volumétrica saturada) [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; Data logger: para converter o sinal analógico para digital e o computador com o software para leitura dos dados coletados. A garrafa de Mariotte consiste em um reservatório de água capaz de aplicar carga constante a uma determinada região, volume. O instrumento apresenta basicamente dois tubos, o tubo de maior diâmetro é o reservatório, enquanto o tubo central, de menor diâmetro, transfere a carga atmosférica a um ponto do reservatório próximo ao solo. A carga aplicada será referente à diferença de cota entre a base do reservatório e a seção sob condição de pressão atmosférica [2]. A garrafa de Mariotte comumente utilizada em ensaios de Guelph Erro! Fonte de referência não encontrada.é mostrada na figura abaixo: Figura 5: Permeâmetro de Guelph: tripé e garrafa de Mariotte

7 Em uma maneira de se obter um equipamento alternativo, mais barato e prático, seguiu-se o desenvolvimento de um protótipo da garrafa de Mariotte. Embora ainda não se tenha chegado a resultados efetivos, segue-se o aprimoramento da garrafa. Resultados Figura 6: Protótipo da garrafa de Mariotte A partir de algumas medições dos valorer de sucção do solo a partir do tensiômetro e do sensor dielétrico, em um período específico, obtiveram a seguinte relação: Data Tensiômetro Sensor Dielétrico 25/03/14-20 kpa Valor aproximado 07/04/14-59 kpa Valor discrepante 10/04/14-68 kpa Valor discrepante 28/04/14-5 kpa Valor aproximado 05/05/14-19 kpa Valor aproximado Tabela 2: Resultado comparativo dos dados de sucção As tabelas abaixo apresentam os resultados obtidos da caracterização para o solo da região. A granulometria encontrada nesse solo, de acordo com o sistema Unificado de Classificação de Solos, apresenta majoritariamente fração argilosa.

8 Porcentagem que passa (%) Pedregulho Areia Grossa Areia Média Areia Fina Silte Argila 0,1% 0,2% 14,7% 17,4% 2,8% 64,8% Tabela 3: Granulometria Gs g d (g/cm³) n LL LP IP ,9 32,1 11,7 Tabela 4: Dados caracterização Propriedades Hidráulicas Campo Experimental PUC-Rio θr θs a(cm -1 ) n ksat (cm/s) 0,051 0,44 6,61E-03 1,28 5,03E-03 Tabela 5: Propriedades Hidráulicas Diâmetro dos grãos (mm) Porcentagem retida (%) PM PT2 PT1 Conclusões Gráfico 1: Curva granulométrica O perfil de sucção matricial in situ de um solo é variável com o tempo. A variação das condições do solo é afetada por mudanças ambientais (estações chuvosas e secas). Períodos

9 de secas resultam em um aumento no valor da sucção matricial e, em períodos de chuvas, ocorre uma redução. Assim, verifica-se a habilidade do solo de variar seu valor de sucção matricial devido a mudanças ambientais, determinada pela condutividade hidráulica do perfil do solo. A comparação entre os valores de sucção obtidos pelo tensiômetro e o MPS 2, mostraram-se equivalentes para valores de baixa sucção, ou seja, próximos a saturação. Uma das causas para a discrepância em altas sucções é devido a fragilidade da cápsula porosa, que não responde adequadamente a sucções elevadas devido a saturação da cápsula. Outro fator que influiu no resultado é a grande quantidade de matéria orgânica e raízes presentes no solo. A partir da análise granulométrica do solo do campus experimental, verificou-se que o mesmo pode ser classificado como argila arenosa. O solo possui uma também macroporosidade, devido as presenças de raízes. O EIM mostrou resultados semelhantes para a Ksat encontrada no estudo de Diniz (1998) a profundidades rasas e, apesar da textura argilosa o solo da região apresentou valores na faixa de 10-3 cm/s. Referências [1] RADCLIFFE, D. E. e ŠIMŮNEK, J. Soil Physics with Hydrus: modeling and applications. CRC Press. Nova York, [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.