XI-012 - A CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA DE UM SOLO ARENOSO DETERMINADA A PARTIR DE ENSAIOS DE CAMPO E DE LABORATÓRIO Heraldo Luiz Giacheti (1) Professor Assistente Doutor da FE-Unesp/Bauru. Engenheiro Civil pela Unesp/Ilha Solteira. Mestre e Doutor em Geotecnia pela USP-São Carlos. Coordenador do Grupo de Pesquisa em Geotecnia de Solos Tropicais onde trabalha com investigação geoambiental. Cláudio Vidrih Ferreira Professor Assistente Doutor da FE-Unesp/Bauru. Engenheiro Civil pela Unesp/Bauru. Mestre e Doutor em Geotecnia pela USP-São Carlos. Desenvolve pesquisa em investigação geotécnica e comportamento de fundações em solos tropicais. Ademar da Silva Lobo Professor Assistente Doutor da FE-Unesp/Bauru. Engenheiro Civil pela Unesp/Bauru. Mestre em Geotecnia Ohio State University-USA. Doutor em Geotecnia pela USP-São Carlos. Desenvolve pesquisa sobre comportamento solos tropicais com ênfase a problemas de fundações. Marcelo Eduardo Moimaz Marques Mestrando do Curso de Pós-Graduação em Engenharia Industrial da FE-Unesp/Bauru. Engenheiro Civil pela Faculdade de Engenharia de S.J. Rio Preto e de Segurança do Trabalho pela Unesp/Bauru. Desenvolve pesquisa em investigação geoambiental de solos tropicais. Endereço (1) : Av. Eng. Luiz Edmundo Carrijo Coube, S/N - Vargem Limpa - Bauru - SP - CEP:17033-360 - Brasil - Tel: (14) 221-6112 - Fax: (14) 221-6112 - e-mail: giacheti@bauru.unesp.br RESUMO O trabalho apresenta resultados de ensaios de infiltração através de cova cilíndrica, escavada com emprego de trado manual, realizados em duas áreas do município de Bauru, onde ocorre um perfil de solo arenoso, residual de arenito, típico daquele existente em grande parte do interior de São Paulo. Os resultados dos ensaios realizados nessas duas áreas são discutidos e comparados entre si. No campo experimental da Unesp- Bauru, uma das áreas onde foram realizados os ensaios de infiltração, um extenso e detalhado programa de investigação geotécnica foi realizado com retirada de amostras deformadas e indeformadas, de metro em metro. Assim, também foi possível realizar ensaios de permeabilidade a carga variável em laboratório. Estes ensaios permitiram a determinação do coeficiente de permeabilidade assim como o estudo de fatores que afetam esse parâmetro. Os resultados dos ensaios de infiltração e de permeabilidade são apresentados e discutidos com o intuito de fornecer valores desses parâmetros, necessários em projeto de sumidouros. Discutem-se vantagens e limitações das técnicas de ensaio de campo e laboratório para determinação da condutividade hidráulica dos solos baseado nos resultados aqui apresentados. PALAVRAS-CHAVE: Geotecnia Ambiental, Ensaios de Laboratório, Ensaios de Campo, Condutividade Hidráulica, Solos Tropicais. INTRODUÇÃO Devido a crescente preocupação com a questão ambiental, as áreas de disposição de resíduos sólidos e líquidos têm merecido especial atenção por parte dos órgãos públicos e instituições de pesquisa relacionados ao meio ambiente, no sentido de avaliar o nível de poluição causado pelos mesmos e procurar estabelecer procedimentos para minimizar seus impactos nocivos. Dentro desse contexto, a geofísica tem se mostrado uma das principais ferramentas para a caracterização geoambiental do subsolo. Entretanto, para atender todas as necessidades de um bom programa de investigação e caracterização do subsolo, é necessário a utilização de algumas técnicas invasivas que permitem amostragem do solo e/ou a realização de ensaios no próprio campo. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1
O solo é constituído de uma fase sólida, que forma o esqueleto do solo, tendo seus vazios preenchidos com água e/ou ar. Nos solos granulares, as forças interpartículas são pequenas e a água pode fluir livremente pelos vazios do solo. Nos solos finos, as forças interpartículas são de grande intensidade e parte da água contida no solo forma uma película ao redor das partículas denominada água adsorvida, que não se movimenta. Apenas parte da água contida no solo, chamada água livre, consegue se movimentar através dos vazios pela ação de forças gravitacionais. Essa movimentação de água livre pelos vazios do solo é chamada de condutividade hidráulica do solo e constitui-se num dos principais parâmetros para um bom programa de investigação e caracterização geoambiental do subsolo. A condutividade hidráulica pode ser entendida como a maior ou menor facilidade que um fluído encontra para percolar através de um maciço. Esse escoamento d água nos vazios do solo se dá no regime laminar, onde a velocidade do fluxo é inferior a uma velocidade crítica, onde a viscosidade do fluido prevalece sobre a tendência de turbulência. A lei de Darcy é utilizada na solução de problemas de percolação no solo e é expressa por: Q= k. i. A (1) onde v é a vazão d água através do solo, k é o coeficiente de permeabilidade, i é o gradiente hidráulico e A é a seção transversal do solo. O atrito entre água e sólido resultante da viscosidade da água acaba provocando forças de arrasto na direção do fluxo, denominadas forças de percolação. Essa força de percolação acaba sendo responsável por inúmeros problemas geotécnicos, principalmente de instabilidade de taludes e de encostas, quando a direção do fluxo se dá praticamente paralela a superfície do solo. Problemas de escorregamentos trazem conseqüências ambientais desastrosas, além de grandes prejuízos materiais e sociais em épocas de grande precipitação pluviométrica. Os coeficientes de permeabilidade e de infiltração são índices que permitem quantificar a maior ou a menor dificuldade que o solo se opõe ao fluxo da água através dos seus poros. A determinação desses parâmetros pode ser feita, tanto através de ensaios de laboratório, como através de ensaios in situ. A realização de um programa de ensaios em laboratório para obtenção de parâmetros de projeto, apresenta como principal vantagem o controle das condições do ensaio, permitindo a realização de uma série de simulações. Entretanto, a qualidade dos resultados de ensaios laboratoriais, realizados em amostras indeformadas, depende muito da qualidade e representatividade dessas amostras. Dependendo do tipo de ensaio, o efeito da perturbação provocado pelo processo de amostragem pode ser significativo. Além disso, muitas vezes, os resultados desses ensaios não retratam com fidelidade, algumas das características do maciço, fundamentais para a previsão do seu comportamento. O principal objetivo deste trabalho é fornecer informações úteis a futuros projetos, a partir da indicação de valores representativos de parâmetros hidráulicos de solos arenosos, típicos da região de Bauru, e representativos de uma grande área do Estado de São Paulo. Estes parâmetros foram determinados a partir de resultados de ensaios de campo e laboratório, realizados em dois perfis de solo típicos dessa região. Pretendese ainda discutir as vantagens e limitações dessas técnicas de ensaios baseado nos resultados apresentados. SOLO ESTUDADO O solo estudado é típico daquele que ocorre na região de Bauru. Esta cidade esta localizada na parte central do Estado de São Paulo, no Planalto Ocidental Paulista. Na figura 1 á apresentada a localização da cidade de Bauru. Nessa região ocorrem sedimentos e solos residuais de arenito do Grupo Bauru. O solo estudado é uma areia fina pouco argilosa vermelha, onde cerca de 75% de sua composição granulométrica é pertence a fração areia. Este solo é classificado pedologicamente como um latosolo vermelho escuro à amarelo. Na classificação unificada é um solo do Grupo SM-SC e na HBR é um o solo do Grupo A-2-4. Uma caracterização geotécnica detalhada do solo típico que ocorre nessa região pode ser obtida no trabalho de Ferreira et al. (1991). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2
Figura 1: Localização da cidade de Bauru onde foram realizados os ensaios. Estado de São Paulo Equador Brasil Trópico de Capricórnio Bauru São Paulo ENSAIOS REALIZADOS Próximo ao Hospital Lauro de Souza Lima, localizado na Rodovia João Ribeiro de Barros, SP 225, km 226, foram realizados por Ferreira et al. (1994), ensaios de infiltração no solo através de cava cilíndrica, escavada com o emprego de trado manual, de acordo com os procedimentos e recomendações da NBR 7229/82. As determinações foram feitas de metro em metro, até 8 m de profundidade. O local não dispõe de rede pública de água e esgoto e os resultados desses ensaios possibilitaram a determinação do coeficiente de infiltração (Ci), que foi utilizado no dimensionamento de sumidouros das fossas sépticas do Hospital da Unimed de Bauru. Posteriormente, no Campo Experimental da Unesp-Bauru, além da realização de ensaios de infiltração através de cava cilíndrica, um extenso e detalhado programa de investigação geotécnica foi realizado com retirada de amostras deformadas e indeformadas, de metro em metro. Em laboratório, foram realizados ensaios de permeabilidade utilizando-se a técnica da carga variável com fluxo d água descendente, sob um gradiente hidráulico igual a 10. Estes ensaios permitiram a determinação do coeficiente de permeabilidade, assim como uma avaliação de fatores que afetam esse parâmetro. O ENSAIO DE INFILTRAÇÃO ATRAVÉS DE COVA CILÍNDRICA O emprego de um furo a trado na determinação da capacidade de absorção do solo elimina a necessidade da escavação de valas, principalmente quando há necessidade de atingir níveis mais profundos. Os ensaios de infiltração foram realizados utilizando cova cilíndrica e seguindo as prescrições da NBR 7229/82. Segundo essa norma sumidouro é um poço destinado a receber o efluente da fossa séptica e facilitar a sua infiltração subterrânea. A disposição através de sumidouros pode ser feita quando o solo for suficientemente permeável e quando as águas subterrâneas não vierem a ser poluídas por estes efluentes. O dimensionamento de sumidouros é feito a partir da determinação da capacidade de absorção do solo. Em cada uma das áreas estudas, Unimed e Campo Experimental da Unesp-Bauru, três locais foram selecionados e os furos foram abertos com emprego de trado manual de 0.30 m de diâmetro. Para realização desses ensaios, foi construído um dispositivo composto por uma bóia utilizando uma garrafa plástica de refrigerante de 2 litros e uma haste de alumínio unida a ela através de um tarugo de madeira. Na figura 2 é apresentado um desenho esquemático do ensaio de infiltração. Para manter a verticalidade da haste durante o ensaio, empregou-se um tubo de PVC de 40 mm de diâmetro e 2,5 m de comprimento, que serviu de tubo guia, preso a uma madeira compensada em forma de H (Figura 3). Antes de iniciar o ensaio, foi feita a determinação da posição do nível d água para que a bóia começasse a flutuar na água. Para fazer a leitura da posição do nível d água, foi colado papel milimetrado na haste, antes do início do ensaio. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3
Figura 2. Desenho esquemático do ensaio de infiltração em cova cilíndrica (in: ABNT NBR 7729/82). (1) Segmentos de tubos de ferro galvanizado; (2) Trado propriamente dito; (3) Bóia tipo isopor ; (4) Haste cilíndrica graduada de plástico ou alumínio; (5) Tubo guia; (6) Placa de madeira para haste do tubo guia; Obs : Dimensões em centímetros. Figura 3. Vista do ensaio de infiltração sendo realizado no Campo Experimental da Unesp-Bauru. O ENSAIO DE PERMEABILIDADE A CARGA VARIÁVEL Em solos que apresentam condutividade hidráulica intermediária a baixa, isto é, em siltes e argilas, o procedimento recomendado é o ensaio à carga variável, onde um corpo de prova de solo é submetido a um gradiente hidráulico que diminui durante o ensaio. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4
Uma descrição detalhada desse ensaio e dos diversos fatores que interfem nos resultados pode ser obtida em Head (1981). Nesse ensaio utiliza-se água destilada e deaerada, que é percolada através do corpo de prova para sua saturação. Em seguida, determina-se a quantidade de água que flui através do corpo de prova medindo-se o intervalo de tempo para que ocorra a variação do nível d água. Tubos de diferentes diâmetros estão disponíveis para que se possa escolher o mais adequado para cada tipo de solo. O ensaio a carga variável pode ser feito em câmara triaxiais, edômetros ou em permeâmetros, este último foi o utilizado nos ensaios realizados. Os corpos de prova foram talhados a partir de blocos cúbicos de 250 mm de lado, retirados de metro em metro, através de poço exploratório aberto no Campo Experimental da Unesp-Bauru. Utilizou-se de berço, torno e espátula para talhar os corpos de prova que tiveram cerca de 50 mm de diâmetro por 120 mm de altura. De cada corpo de prova ensaiado, foram feitas três determinações do teor de umidade natural. Após determinação da geometria e da massa do corpo de prova, foi colocada parafina na superfície lateral do corpo de prova. Em seguida, os corpos de prova foram colocados no interior de um permeâmetro de aço, a fim de garantir que a percolação ocorresse exclusivamente na direção vertical, do topo para a base. Na figura 4 temse um desenho esquemático do recurso utilizado para instalação do corpo de prova no permeâmetro. Figura 4. Corte esquemático de um permeâmetro. areia parafina bentonita corpo de prova A saturação do corpo de prova foi feita mediante circulação d água durante 48 horas, cronometrando-se, a partir daí, o tempo gasto para que o menisco d água diminuísse do nível superior até o nível inferior, de modo que o gradiente hidráulico médio fosse igual a 10. Com os valores dos tempos obtidos, calculou-se o coeficiente de permeabilidade (k) utilizando-se a lei de Darcy (equação 1) e, esse valor foi corrigido para temperatura equivalente a 20 o C (k 20 ). Todos os ensaios foram realizados utilizando-se de um painel de permeabilidade construído no Laboratório de Mecânica dos Solos do Departamento de Engenharia Civil da Unesp-Bauru, que pode ser visualizado na Figura 5. RESULTADO DOS ENSAIOS Os resultados dos ensaios de permeabilidade realizados em amostras indeformadas do Campo Experimental da Unesp-Bauru são apresentados na Figura 6. A variação do coeficiente de permeabilidade (K 20 ) com a profundidade é apresentado na Figura 7. Também na Figura 7 são apresentados os resultados dos ensaios de infiltração realizados nas duas áreas estudadas. Tem-se ainda, nessa figura, o valor médio do índice de resistência a penetração (N) de três sondagem de simples reconhecimento (SPT) realizadas nesse Campo Experimental, assim como os valores médios dos índices físicos das amostras indeformadas utilizadas nos ensaios de permeabilidade em laboratório. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5
Figura 5. Painel de permeabilidade utilizado nos ensaios de laboratório. ANÁLISE DOS RESULTADOS Os resultados dos ensaios de permeabilidade apresentados na Figura 6 mostram uma redução do valor do coeficiente de permeabilidade (K 20 ) com o tempo de ensaio, especialmente para as amostras superficiais e mais porosas. Observa-se também uma tendência de K 20 assumir um valor praticamente constante a partir de cerca de dois dias de ensaio. O uso de gradientes elevados (i=10) pode ter contribuído com uma maior migração de partículas de solo, resultando na obstrução de macro-poros. No entanto, também tem sido constatada, para esse solo, uma redução na permeabilidade mesmo quando se utiliza gradientes menores. Na Figura 7, constatou-se que o coeficiente de permeabilidade determinado em laboratório decresce com a profundidade. A faixa de variação deste parâmetro está compreendida entre 1,3 x 10-3 e 1,2 x 10-4 cm/s, com valor médio de 5,3 x 10-4 cm/s. Estes valores são consistentes com o tipo de solo estudado. A redução da permeabilidade com a profundidade, observado nessa figura, se deve a redução do índice de vazios desse solo. Observa-se ainda na Figura 7, que os coeficientes de infiltração (Ci) apresentaram valores próximos nas duas áreas estudadas (Unimed e Campo Experimental de Unesp-Bauru) e também decresceram com a profundidade, variando de 128 a 55 l/m 2 x dia, com um valor médio de 75 l/m 2 x dia. Este fato também está associado à redução do índice de vazios com a profundidade. Apesar do número reduzido de dados, apresenta-se a seguir, a correlação obtida entre os coeficientes de permeabilidade e de infiltração para o solo do Campo Experimental da Unesp-Bauru. Ci [l/m 2 x dia ] = 48,7 + 50430 x k 20 [cm/s] R 2 = 0,925 (2) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6
Figura 6: Variação de k 20 com tempo, determinados em ensaios de permeabilidade. K 20 (cm/s) 4.0e-3 3.5e-3 3.0e-3 2.5e-3 2.0e-3 1.5e-3 1m 2m 3m 4m 5m 6m 7m 8m 9m 1.0e-3 5.0e-4 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 Tempo (horas) Figura 7: Síntese dos resultados de ensaios de campo e de laboratório. Perfil N Índice de Vazios e Massa Específica (g/cm 3 ) Ci (l/m 2 x dia) k 20 (cm/s) 0 0.0 0.5 1.01.2 1.6 2.0 0 50 100 150 0 1x10-3 2x10-3 3 Profundidade (m) 2 4 6 Areia Fina pouco argilosa marron avermelhada (SM - SC) (LA') 2 3 4 4 6 e ρ nat Unesp Unimed 8 Residual de Arenito 7 7 8 Sr ρ d 10 8 0 50 100 Grau de Saturação, Sr (%) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7
CONSIDERAÇÕES FINAIS O coeficiente de permeabilidade do solo estudado, determinado em laboratório, diminuiu com o tempo de ensaio. Acredita-se que isto se deve a uma migração de partículas finas de solo, que provocou uma obstrução nos macro-poros, fato ocorrido especialmente para amostras de solo mais superficial. O coeficiente de infiltração (Ci) decresce com a profundidade tendo-se observado, para as duas áreas estudadas, valores muito próximos. Assim como o coeficiente de infiltração, o coeficiente de permeabilidade diminuiu com a profundidade. Este fato está associado à redução do índice de vazios com a profundidade, o qual se deve ao processo de evolução pedogenética de um maciço de solo tropical. A realização do ensaio de permeabilidade com carga variável em laboratório, é mais trabalhoso e necessita de amostras indeformadas de qualidade e representativas do maciço, o que aumenta seu custo e tempo para obtenção dos resultados. A realização de ensaio de infiltração in situ é mais fácil e rápido de se realizar e, para o estudo em tela, apresentou resultados consistentes com os obtidos em laboratório. Novas técnicas para realização de ensaios para determinação da condutividade hidráulica in situ estão disponíveis, por exemplo aqueles que utilizam amostradores especiais para água, que tornam os ensaios de campo mais rápidos e menos trabalhosos do que a técnica do ensaio de infiltração através de cova cilíndrica. Estas técnicas mais modernas merecem serem aplicadas e seu desempenho avaliado para emprego em perfis de solos tropicais. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao ex-luno da FE-Unesp, Fabio H. H. Yano e aos técnicos de laboratório do Departamento de Engenharia Civil da FE-Unesp, pela realização dos ensaios de campo e laboratório aqui apresentados. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ABNT NBR 7229. Construção e instalação de fossas sépticas e disposição dos efluentes finais. Rio de Janeiro/RJ, Março de 1982, 37 p. 2. FERREIRA, C.V.; ALBIEIRO, J.H.; LOBO, A.S.: Características geotécnicas do solo residual de arenito da cidade de Bauru - SP. In: Seminário de Engenharia de Fundações Especiais, 2, São Paulo, 1991. Anais..., São Paulo, ABEF/ABMS, 1991, V.1, p. 133-142. 3. FERREIRA, C.V; LOBO, A.S.; CAVAGUTI,N. (1994): Variação do coeficiente de infiltração de um solo residual de arenito. In: Simpósio sobre solos não saturados,2, Recife - PE, AMSF - UFPE/ABMS - NE, 1994, pp 197-201. 4. HEAD, K. (1981): Manual of Soil Laboratory Testing. Chapter 10. Permeability and Erodibility Tests, Pentech Press, London, V. II, pp. 398-468. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8