LABORATÓRIO de MECÂNICA dos SOLOS Permeabilidade do Solo SUMÁRIO

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ UFPR SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE CONSTRUÇÃO CIVIL CURSO DE ENGENHARIA CIVIL LABORATÓRIO de MECÂNICA dos SOLOS Permeabilidade do Solo SUMÁRIO 1. Introdução 2. Conceito 3. Importância 4. Lei de Darcy 5. Fatores que Influenciam na Permeabilidade dos Solos 6. Resultados de Permeabilidade 7. Coeficiente de Permeabilidade 8. Determinação de Permeabilidade 9. Ensaios de laboratório 1

2 1. INTRODUÇÃO O movimento de água através de um solo é influenciado por uma série de fatores, devido a sua natural heterogeneidade. Nos solos granulares, a água se movimenta livremente nos vazios, ao contrário dos solos finos, argilosos, onde a presença de cargas elétricas na superfície dos minerais e a presença de moléculas de água adsorvidas nessa superfície dificultam essa movimentação. 2. CONCEITO É a propriedade que o solo apresenta de permitir o escoamento de água através dele. Todos os solos são mais ou menos permeáveis. Propriedade física do solo. 2

3 2. CONCEITO Água Solo solto Maior facilidade de fluxo Permeabilidade alta Solo denso Dificuldade de fluxo Permeabilidade baixa 3. IMPORTÂNCIA DO ESTUDO Barragens: Vazões infiltradas, cálculo de fluxo, dimensionamento de filtros e drenos. Determinação da Pressão Neutra ou Poropressão: Análises de estabilidade em tensões efetivas (taludes naturais e de corte, aterros) e Estimativa recalques adensamento. Cálculo de empuxos de terra: em muros de contenção; Movimentação de materiais soltos e contaminantes para dentro do maciço : degradação ambiental, barreiras de contaminantes, recuperação de áreas degradadas; Cálculo do balanço hídrico e da quantidade de água necessária para irrigação. 3

4 4. Lei de Darcy Experimento: Percolou água através de uma amostra de solo de comprimento L e área A, a partir de dois reservatórios de nível constante, sendo h a diferença de cota entre ambos. 4. Lei de Darcy Darcy(1856),atravésdeseusexperimentos,verificou que uma série de fatores geométricos influenciavam na vazão da água, formulando a equação: 4

5 4. Lei de Darcy Gradiente Hidráulico (i) é a taxa de dissipação da carga total em função da distância Caminhos tortuosos e não lineares i h L Q k i A v k i 5. Fatores que Influenciam na Permeabilidade dos Solos Os principais fatores que influenciam no coeficiente de permeabilidade são: Granulometria Índice de vazios Composição mineralógica Estrutura do solo/ estratificação do terreno Fluído Macroestrutura Temperatura Grau de saturação 5

6 5. Fatores que Influenciam na Permeabilidade dos Solos Granulometria Forma e tamanho das partículas do solo O tamanho das partículas que constituem os solos influencia no valor de k. Nos solos pedregulhosos sem finos (partículas com diâmetro superior a 2mm), por exemplo, o valor de k é superior a 0,01cm/s. Nos solos finos (partícula com diâmetro inferior a 0,074mm) os valores de k são bem inferiores a este valor. Diâmetro da partícula k esféricos > k angulares. 5. Fatores que Influenciam na Permeabilidade dos Solos Índice de Vazios A permeabilidade dos solos esta relacionada com o índice de vazios, logo, com a sua porosidade. Quanto mais poroso for um solo (maior a dimensão dos poros), maior será o índice de vazios, por conseguinte, mais permeável. 3 e k k (1 e 3 e 2 (1 e 1 2 ) ) 6

7 5. Fatores que Influenciam na Permeabilidade dos Solos Composição Mineralógica A predominância de alguns tipos de minerais na constituição dos solos tem grande influência na permeabilidade. Por exemplo, argilas moles que são constituídas, predominantemente, de argilo minerais (caulinitas, ilitas e montmori lonitas) possuem um valor de k muito baixo, que varia de 10 7 a 10 8 cm/s. Nos solos arenosos, cascalhentos sem finos, que são constituídos, principalmente, de minerais silicosos (quartzo) o valor de k é da ordem de 1,0 a 0,01cm/s. Quanto > A (atividade da argila) < o k 5. Fatores que Influenciam na Permeabilidade dos Solos Estrutura do Solo/Estratificação do terreno É o arranjo das partículas. Nas argilas existem as estruturas isoladas e em grupo que atuam forças de natureza capilar e molecular, que dependem da forma das partículas. Nas areias o arranjo estrutural é mais simplificado, constituindo se por canalículos, interconectados onde a água flui mais facilmente. 7

8 5. Fatores que Influenciam na Permeabilidade dos Solos Fluído O tipo de fluído que se encontra nos poros Nos solos, em geral, o fluído é a água com ou sem gases (ar) dissolvidos Viscosidade 5. Fatores que Influenciam na Permeabilidade dos Solos Macroestrutura Principalmente em solos que guardam as características do material de origem (rocha mãe) como diaclases, fraturas, juntas, estratificações Estes solos constituem o horizonte C dos perfis de solo, também denominados de solos saprolíticos. 8

9 5. Fatores que Influenciam na Permeabilidade dos Solos Temperatura Quanto maior a temperatura, menor a viscosidade d água, portanto, maior a permeabilidade, isto significa que a água mais facilmente escoará pelos poros do solo. Por isso, os valores de k obtidos nos ensaios são geralmente referidos à temperatura de 20 C. k T 20 k T k T. Cv 20 k T o valor de k para a temperatura do ensaio; 20 é a viscosidade da água a temperatura de 20 0 C; T é a viscosidade a temperatura do ensaio; C V relação entre as viscosidades. 9

10 5. Fatores que Influenciam na Permeabilidade dos Solos Grau de saturação do solo Apercolaçãodeáguanãoremovetodooarexistentenumsolonãosaturado. Permanecem bolhas de ar, contidas pela tensão superficial da água O coeficiente de permeabilidade de um solo não saturado é menor do que o que ele apresentaria se estivesse totalmente saturado Ensaio de carga variável: variação do grau de saturação, logo, realizar apenas em solos na condição saturada 6. Resultados de Permeabilidade 10

11 7. Coeficiente de Permeabilidade A determinação do coeficiente de permeabilidade de um solo pode ser feita: por meio de fórmulas que o relacionam com a granulometria (Hanzen); em laboratório através dos permeâmetros ; in loco pelos ensaios de bombeamento ou pelo ensaio do tubo aberto; para as argilas a permeabilidade se determina a partir do ensaio de adensameto. 7. Coeficiente de Permeabilidade Fórmula de Hanzen Curva granulométrica Allen Hazen, ensaiando areias com diâmetro efetivo compreendido entre 0,1 e 3,0mm, chegou a relação que fornece o coeficiente de permeabilidade para esse solos: K = C (d 10 )2 onde: K coeficiente de permeabilidade (cm/s); d 10 ou d e diâmetro efetivo (cm); C coeficiente utilizado que varia de 100 a 150, utilizando se geralmente 116. Válida somente para solos arenosos (areias fofas e uniformes) 11

12 7. Coeficiente de Permeabilidade Ordem de grandeza do coeficiente de permeabilidade: Existem diversos tipos de equipamentos para investigação da condutividade hidráulica de solos em laboratório. São denominados de permeâmetros: Permeâmetro de carga constante Permeâmetro de carga variável 12

13 Permeâmetro de carga constante NBR Nesteensaioaamostraésubmetidaaumacargahidráulicaconstanteduranteo ensaio (permeâmetro de nível constante). O coeficiente de permeabilidade é determinado pela quantidade de água que percolaaamostraparaumdadointervalodetempo. A quantidade de água é medida por uma proveta graduada, determinando se a vazão (Q). Este permeâmetro é muito utilizado para solos de granulação grossa (solos arenosos). Permeâmetro de carga constante Q vazão; A área do corpo de prova; h carga dissipada na percolação; L comprimento do corpo de prova. 13

14 Permeâmetro de carga constante Permeâmetro de carga constante 14

15 Permeâmetro de carga constante Permeâmetro de carga variável Em se tratando de solos finos (solos argilosos e siltosos), o ensaio com carga constante tornasse inviável, devido à baixa permeabilidade destes materiais, há pouca percolação de água pela amostra, dificultando a determinação do coeficiente de permeabilidade. Para tais solos é mais vantajoso a utilização de permeâmetros com carga variável. Conservação da energia: a vazão de água passando pelo solo é igual a vazão da água que passa pela bureta 15

16 Permeâmetro de carga variável dh h a k A dt L h1 dh a h h 0 ka t1 dt L t0 k al h 2,3 log 0 A t h 1 Permeâmetro de carga variável 16

17 Permeâmetro de carga variável Permeâmetro de carga variável 17

18 8. Ensaios de Campo Métodos de Ensaio in situ (sistemas de controle) Ensaio de bombeamento Ensaio de permeabilidade em furos de sondagem Ensaio de permeabilidade carga variável Ensaio de permeabilidade carga constante Ensaio com piezômetro Piezômetro do tipo cravado Piezômetro do tipo escavado Ensaio de perda d água sob pressão (ensaio Lugeon) Por mais cuidadosos que sejam os ensaios de permeabilidade em laboratório, representam somente pequenos volumes de solo em pontos individuais de uma grande massa. Portanto, a validade da aplicação dos valores neles obtidos aos problemas de percolação e drenagem dependerá de como possam ser considerados representativos da massa de solo. 18

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