Slide - Permeabilidade e Percolação de Água Nos Solo 2022-2

Permeabilidade e percolação de água nos solos  a água intersticial (água livre) nos solos pode estar:  em equilíbrio hidrostático  em escoamento através do maciço terroso (se houver gradiente hidráulico e interconexão de poros)  a facilidade com que a água livre escoa (percola) através da massa de solo é chamada de permeabilidade relativa (ou condutividade hidráulica) dos solos 1- Lei de Darcy • o fluxo unidimensional de água através dos solos é regido pela seguinte relação empírica: • 𝑄 = 𝑘 ⋅ 𝛥ℎ 𝑙 ⋅ 𝐴 𝑄 = 𝑘 ⋅ 𝑖 ⋅ 𝐴 𝑣 = 𝑘 ⋅ 𝑖 Q = vazão de percolação (m3/s) A = área da seção transversal ao escoamento (m2) l= distância de percolação (m) Δh= perda de carga hidráulica no trecho de percolação (m) i= gradiente hidráulico v= velocidade de percolação (m/s) k =coeficiente de permeabilidade (m/s) Fonte: Bueno e Vilar, 1994 1 Fonte: https://www.cemig.com.br/usina/uhe-emborcacao/ Permeabilidade e percolação de água nos solos 1- Lei de Darcy • validade da lei de Darcy: a proporcionalidade entre vazão e gradiente hidráulico se limita ao caso de escoamento laminar  na expressão da lei de Darcy, A é a área total da seção transversal (partículas sólidas + vazios) enquanto que, na realidade, o fluxo ocorre através dos vazios do solo (área de vazios, Av)  (v) é uma velocidade de percolação aparente (velocidade de descarga) e não a velocidade real de percolação (vp) que é a velocidade de percolação intersticial  Demonstra-se que:  𝑣𝑝 = (1+𝑒) 𝑒 ⋅ 𝑣  𝑣 = 𝑘 ⋅ 𝑖 Fonte: Bueno e Vilar, 1994; Souza Pinto, 2006 2 Permeabilidade e percolação de água nos solos 2.1- Valores típicos do coeficiente de permeabilidade K (ordem de grandeza) cm/s 2.2- Fatores que influenciam a permeabilidade (ou condutividade hidráulica) a- tipo de fluido em escoamento  permeabilidade absoluta ou intrínseca K* independe do fluído e é expressa em cm2 ou m2  a viscosidade e o peso específico do fluido intersticial influenciam no valor de K  caso da água, w e w variam com a temperatura, então K é influenciado pela temperatura  K deve ser apresentado para 20C: 𝑘20°𝐶 = 𝑘(𝑇) ⋅ 𝜂(𝑇) 𝜂20°𝐶 onde: k(T) = coeficiente de permeabilidade na temperatura T do ensaio (T): viscosidade da água na temperatura T do ensaio Fonte: Souza Pinto, 2006; CESP MSL09 102 10-1 101 100 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 INTERVALO DE 10 BILHÕES DE VEZES PEDREGULHO AREIA SILTE ARGILA 3 Permeabilidade e percolação de água nos solos 2.2- Fatores que influenciam a permeabilidade (k) b- tipo de solo e estado físico do solo  granulometria: qto menor tamanho das partículas, menor tamanho dos vazios e menor K  forma das partículas: qto mais alongadas, irregulares e rugosas superficialmente as partículas, mais tortuosas as trajetórias do fluxo de água, menor K  composição mineralógica: nos solos finos, qto maior a camada de água adsorvida (água que não está livre para fluir), menor K  estrutura do solo: nos solos finos, os estado floculento apresenta maior K que o estado disperso. Nos solos estratificados as permeabilidades são diferentes nas direções normal e tangencial à estratificação  índice de vazios: o tamanho e a disposição dos vazios (alinhamento e interconexão dos poros) constituem fatores relevantes frente a permeabilidade. Qto maior índice de vazios, maior K  grau de saturação: a presença de bolhas de ar tende a impedir a passagem de água. Qto maior Sr, maior K 4 Permeabilidade e percolação de água nos solos 3- Princípio da conservação da energia (lei de Bernoulli)  adotando-se um nível de referência pode-se calcular:  Energia hidráulica ou carga hidráulica total no ponto 1:  ℎ1 = 𝑧1 + 𝑢1 𝛾𝑤 + 𝑣12 2𝑔  Energia hidráulica ou carga hidráulica total no ponto 2:  ℎ2 = 𝑧2 + 𝑢2 𝛾𝑤 + 𝑣22 2𝑔 onde: z1 e z2: cargas de posição ou carga geométrica u1/γw e u2/γw : cargas de pressão v1 2/2g e v2 2/2g : cargas cinéticas 5 Permeabilidade e percolação de água nos solos 3- Princípio da conservação da energia (lei de Bernoulli)  velocidade de percolação da água nos solos é bem pequena em relação aos demais membros  parcela de carga cinética pode ser desprezada  carga hidráulica total "h" em qualquer ponto é função apenas das carga de posição e de pressão  perda de carga durante a percolação da água do ponto 1 para o ponto 2  motivo: atrito viscoso entre as moléculas de água e as partículas sólidas do solo  pelo princípio da conservação da energia:  𝛥ℎ = (𝑧1 + 𝑢1 𝛾𝑤) − (𝑧2 + 𝑢2 𝛾𝑤) = ℎ1 − ℎ2 6 Permeabilidade e percolação de água nos solos Exercício-exemplo Calcular as cargas totais, de posição e de pressão nos pontos A, B, C, D e P (10cm acima de C) do sistema de percolação esquematizado a seguir. 7 Permeabilidade e percolação de água nos solos Exercício-exemplo Calcular as cargas totais, de posição e de pressão nos pontos A, B, C, D e P (10cm acima de C) do sistema de percolação esquematizado a seguir. Resolução:  Adotar nível de referência passando por D.  Motivo: ponto mais baixo possível para evitar cargas de posição negativas  calcular carga totais, de posição e pressão no nível de água de montante e jusante  ℎ𝑁𝐴 𝑚𝑜𝑛𝑡 = 𝑧𝑁𝐴 𝑚𝑜𝑛𝑡 + 𝑢𝑁𝐴 𝑚𝑜𝑛𝑡 𝛾𝑤  ℎ𝑁𝐴 𝑚𝑜𝑛𝑡 = 1,8𝑚 + 0 𝐾𝑃𝑎 10 𝑘𝑁/𝑚3 = 1,8m  ℎ𝑁𝐴 𝑗𝑢𝑠 = 𝑧𝑁𝐴 𝑗𝑢𝑠 + 𝑢𝑁𝐴 𝑗𝑢𝑠 𝛾𝑤  ℎ𝑁𝐴 𝑗𝑢𝑠 = 1,2𝑚 + 0 𝐾𝑃𝑎 10 𝑘𝑁/𝑚3 = 1,2𝑚  calcular a perda de carga total no sistema de percolação  𝛥ℎ𝑠𝑖𝑠𝑡 = ℎ𝑁𝐴 𝑚𝑜𝑛𝑡 − ℎ𝑁𝐴 𝑗𝑢𝑠 = 1,8 − 1,2 = 0,6𝑚 8 Permeabilidade e percolação de água nos solos Exercício-exemplo, resolução  calcular carga totais, de posição e pressão nos pontos A, B, C e D  ℎ𝑁𝐴 𝑗𝑢𝑠 = ℎ𝐴 = 1,2𝑚  𝑧𝐴 = 1,2𝑚 e 𝑢𝐴 𝛾𝑤 = 0  ℎ𝐵 = ℎ𝑁𝐴 𝑗𝑢𝑠 = ℎ𝐴 = 1,2𝑚 motivo: perdas são desprezíveis na tubulação  𝑧𝐵 = 0,9𝑚 então 𝑢𝐵 𝛾𝑤 = 1,2 − 0,9 =0,3m 𝑢𝐵 = 0,3𝑚 x 10kN/m3 = 3kPa  ℎ𝐶 = ℎ𝐷 = ℎ𝐷´ = ℎ𝐶´ = ℎ𝐵´= ℎ𝐴´ = ℎ𝑁𝐴 𝑚𝑜𝑛𝑡 = 1,8𝑚 motivo: perdas são desprezíveis  𝑧𝐶 = 0,3𝑚 então 𝑢𝐶 𝛾𝑤 = 1,8 − 0,3 = 1,5m 𝑢𝐶 = 1,5𝑚 x 10kN/m3 = 15kPa  𝑧𝐷 = 0𝑚 então 𝑢𝐷 𝛾𝑤 = 1,8 − 0 = 1,8m 𝑢𝐷 = 1,8𝑚 x 10kN/m3 = 18kPa 9 Permeabilidade e percolação de água nos solos Exercício-exemplo, resolução  calcular carga totais, de posição e pressão no ponto P (10cm acima do ponto C)  𝛥ℎ𝑠𝑖𝑠𝑡 = ℎ𝑐 − ℎ𝐵 = 𝛥ℎ𝐶𝐵 = 𝛥ℎ𝐶𝑃 + 𝛥ℎ𝑃𝐵 = 1,8 − 1,2 = 0,6𝑚  sabemos que: pela lei de Darcy: 𝑄𝑠𝑖𝑠𝑡 = 𝑘 ⋅ 𝛥ℎ𝑠𝑖𝑠𝑡 𝑙𝑠𝑖𝑠𝑡 ⋅ 𝐴  mesmo solo: K e A são constantes  𝑄𝐶𝑃 = 𝑘 ⋅ 𝛥ℎ𝐶𝑃 𝑙𝐶𝑃 ⋅ 𝐴 = 𝑄𝑃𝐵 = 𝑘 ⋅ 𝛥ℎ𝑃𝐵 𝑙𝑃𝐵 ⋅ 𝐴 = 𝑄𝑠𝑖𝑠𝑡 = 𝑘 ⋅ 𝛥ℎ𝑠𝑖𝑠𝑡 𝑙𝑠𝑖𝑠𝑡 ⋅ 𝐴  então : 𝛥ℎ𝐶𝑃 𝑙𝐶𝑃 =𝛥ℎ𝑃𝐵 𝑙𝑃𝐵 = 𝛥ℎ𝑠𝑖𝑠𝑡 𝑙𝑠𝑖𝑠𝑡 = 𝛥ℎ𝐶𝑃 0,10 = 𝛥ℎ𝑃𝐵 0,5 = 0,6 0,6 = 1  𝛥ℎ𝐶𝑃 = 0,10m 𝛥ℎ𝑃𝐵 = 0,5m  Como ℎ𝐶 = 1,8𝑚 𝑒 𝛥ℎ𝐶𝑃 = 0,1m então ℎ𝑃 = 1,7𝑚  𝑧𝑃 = 0,4𝑚 então 𝑢𝑃 𝛾𝑤 = 1,7 − 0,4 = 1,3m uP= 13kPa P 10 Permeabilidade e percolação de água nos solos Exercício-exemplo Calcular as calcular as tensões totais e efetivas nos pontos A, B, C, D e P  admitir peso específico saturado do solo arenoso 20kN/m3 11 Permeabilidade e percolação de água nos solos Exercício-exemplo, resolução Calcular as tensões totais e efetivas nos pontos A, B, C, D e P  admitir peso específico saturado do solo arenoso 20kN/m3  𝜎𝐴 = 0 𝑢𝐴 = 0 𝜎´𝐴 = 𝜎𝐴 − 𝑢𝐴 = 0  𝜎𝐵 = 𝛾𝑤. ℎ𝑤 = 10𝑥0,3 = 3𝑘𝑃𝑎 𝑢𝐵 = 3𝑘𝑃𝑎 𝜎´𝐵 = 𝜎𝐵 − 𝑢𝐵 = 0  𝜎𝐶 = 𝛾𝑤. ℎ𝑤 + 𝛾𝑠𝑎𝑡. ℎ𝑠𝑜𝑙𝑜 = 10𝑥0,3 + 20𝑥0,6 = 15𝑘𝑃𝑎 𝑢𝐶 = 15𝑘𝑃𝑎 𝜎´𝐶 = 𝜎𝐶 − 𝑢𝐶 = 0  𝜎𝐷 = 𝛾𝑤. ℎ𝑤1 + 𝛾𝑠𝑎𝑡. ℎ𝑠𝑜𝑙𝑜 + 𝛾𝑤. ℎ𝑤2 = 10𝑥0,3 + 20𝑥0,6 + 10𝑥0,3 = 18𝑘𝑃𝑎 𝑢𝐷 = 18𝑘𝑃𝑎 𝜎´𝐷 = 𝜎𝐷 − 𝑢𝐷 = 0  𝜎𝑃 = 𝛾𝑤. ℎ𝑤 + 𝛾𝑠𝑎𝑡. ℎ𝑠𝑜𝑙𝑜𝑃 = 10𝑥0,3 + 20𝑥0,5 = 13𝑘𝑃𝑎 𝑢𝑃 = 13𝑘𝑃𝑎 𝜎´𝑃 = 𝜎𝑃 − 𝑢𝑃 = 0 tensão efetiva zero e fluxo ascendente em solo arenoso? P 12 Permeabilidade e percolação de água nos solos Exercício-exemplo Dado o sistema de percolação esquematizado abaixo, determinar: a. valores das cargas totais, de posição e de pressão nos pontos A, B e C b. vazão no sistema  Considerar: escoamento laminar, regime permanente  Dados: A1 = 0,35m2 , A2 = 0,19m2 , K1 = 1cm/s = 10-2 m/s K2 = 0,5cm/s= 5.10-3 m/s exemplo em barragem: Fonte: Lambe e Whitman, 1969 13 Permeabilidade e percolação de água nos solos Exercício-exemplo, resolução  Adotar nível de referência passando por E  Motivo: ponto mais baixo possível para evitar cargas de posição negativas  calcular carga totais, de posição e pressão no nível de água de montante e jusante  ℎ𝑁𝐴 𝑚𝑜𝑛𝑡 = 𝑧𝑁𝐴 𝑚𝑜𝑛𝑡 + 𝑢𝑁𝐴 𝑚𝑜𝑛𝑡 𝛾𝑤  ℎ𝑁𝐴 𝑚𝑜𝑛𝑡 = 3,6𝑚 + 0 𝐾𝑃𝑎 10 𝑘𝑁/𝑚3 = 3,6m  ℎ𝑁𝐴 𝑗𝑢𝑠 = 𝑧𝑁𝐴 𝑗𝑢𝑠 + 𝑢𝑁𝐴 𝑗𝑢𝑠 𝛾𝑤  ℎ𝑁𝐴 𝑗𝑢𝑠 = 0𝑚 + 0 𝐾𝑃𝑎 10 𝑘𝑁/𝑚3 = 0𝑚  calcular a perda de carga total no sistema de percolação  𝛥ℎ𝑠𝑖𝑠𝑡 = ℎ𝑁𝐴 𝑚𝑜𝑛𝑡 − ℎ𝑁𝐴 𝑗𝑢𝑠 = 3,6 − 0 = 3,6𝑚 14 Permeabilidade e percolação de água nos solos Exercício-exemplo, resolução  ℎ𝑁𝐴 𝑚𝑜𝑛𝑡 = 𝑧𝑁𝐴 𝑚𝑜𝑛𝑡 + 𝑢𝑁𝐴 𝑚𝑜𝑛𝑡 𝛾𝑤 =3,6m  ℎ𝑁𝐴 𝑚𝑜𝑛𝑡 = ℎ𝐴 = ℎ𝐵= 3,6m perdas de carga desprezíveis  𝑧𝐴 = 3,6𝑚 então 𝑢𝐴 𝛾𝑤 = 3,6 − 3,6 =0 m 𝑢𝐴 = 0𝑚 x 10kN/m3 = 0kPa  𝑧𝐵 = 2,4𝑚 então 𝑢𝐵 𝛾𝑤 = 3,6 − 2,4 = 1,2m 𝑢𝐵 = 1,2𝑚 x 10kN/m3 = 12kPa  ℎ𝑁𝐴 𝑗𝑢𝑠 = 𝑧𝑁𝐴 𝑗𝑢𝑠 + 𝑢𝑁𝐴 𝑗𝑢𝑠 𝛾𝑤  ℎ𝑁𝐴 𝑗𝑢𝑠 = 0𝑚 + 0 𝐾𝑃𝑎 10 𝑘𝑁/𝑚3 = 0𝑚  ℎ𝑁𝐴 𝑗𝑢𝑠𝑡 = ℎ𝐸 = ℎ𝐷= 0m perdas de carga desprezíveis  𝑧𝐸 = 0𝑚 então 𝑢𝐸 𝛾𝑤 = 0 − 0 =0 m 𝑢𝐸 = 0𝑚 x 10kN/m3 = 0kPa  𝑧𝐷 = 0,6𝑚 então 𝑢𝐷 𝛾𝑤 = 0 − 0,6 = −0,6 m 𝑢𝐷 = −0,6𝑚 x 10kN/m3 = -6kPa  poropressão negativa: abaixo da pressão atmosférica (sucção) 15 Permeabilidade e percolação de água nos solos Exercício-exemplo, resolução  𝛥ℎ𝑠𝑖𝑠𝑡 = ℎ𝐵 − ℎ𝐷 = 𝛥ℎ𝐵𝐷 = 𝛥ℎ𝐵𝐶 + 𝛥ℎ𝐶𝐷 = 3,6 − 0 = 3,6𝑚 perda de cargas diferentes em cada solo  sabemos que: 𝑄𝑠𝑖𝑠𝑡 = 𝑘 ⋅ 𝛥ℎ𝑠𝑖𝑠𝑡 𝑙𝑠𝑖𝑠𝑡 ⋅ 𝐴  solos diferentes, áreas diferentes: K e A são diferentes  𝑄𝐵𝐶 = 𝑘1 ⋅ 𝛥ℎ𝐵𝐶 𝑙𝐵𝐶 ⋅ 𝐴1 = 𝑄𝐶𝐷 = 𝑘2 ⋅ 𝛥ℎ𝐶𝐷 𝑙𝐶𝐷 ⋅ 𝐴2 = 𝑄𝑠𝑖𝑠𝑡 vazões iguais em cada solo  𝑄𝐵𝐶 = 10−2 m/s ⋅ 𝛥ℎ𝐵𝐶 1,2𝑚 ⋅0,35m2= 𝑄𝐶𝐷 = 5.10−3 m/s ⋅ 𝛥ℎ𝐶𝐷 0,6𝑚 ⋅ 0,19m2 = 𝑄𝑠𝑖𝑠𝑡  𝛥ℎ𝐶𝐷 = 1,835. ∆ℎ𝐵𝐶  𝛥ℎ𝐵𝐷 = 𝛥ℎ𝐵𝐶 + 𝛥ℎ𝐶𝐷 = 𝛥ℎ𝐵𝐶 + 1,835. 𝛥ℎ𝐵𝐶 = 3,6𝑚  𝛥ℎ𝐵𝐶 = 1,27𝑚 e 𝛥ℎ𝐶𝐷 = 2,33𝑚  ℎ𝐵 − ℎ𝐶 = 𝛥ℎ𝐵𝐶 = 3,6 − ℎ𝐶 = 1,27m ℎ𝐶 = 2,33m  𝑧𝐶 = 1,2𝑚 então 𝑢𝐶 𝛾𝑤 = 2,33 − 1,2 = 1,13m uC= 11,3kPa 16 Permeabilidade e percolação de água nos solos Exercício-exemplo, resolução  vazão no sistema  𝑄𝐵𝐶 = 10−2 m/s ⋅ 𝛥ℎ𝐵𝐶 1,2𝑚 ⋅0,35m2= 𝑄𝐶𝐷 = 5.10−3 m/s ⋅ 𝛥ℎ𝐶𝐷 0,6𝑚 ⋅ 0,19m2 = 𝑄𝑠𝑖𝑠𝑡  𝑄𝐵𝐶 = 10−2 m/s ⋅ 1,27 1,2𝑚 ⋅0,35m2= 3,7.10-3 m3/s = 𝑄𝑠𝑖𝑠𝑡  𝑄𝐶𝐷 = 5.10−3 m/s ⋅ 2,33 0,6𝑚 ⋅ 0,19m2 = 3,69.10−3 m3/s =𝑄𝑠𝑖𝑠𝑡  lembrete: perdas de carga são diferentes no solo 1 e solo 2 vazões são iguais no solo 1 e solo 2 17 Permeabilidade e percolação de água nos solos 4- Determinação do coeficiente de permeabilidade dos solos  métodos diretos: ensaios de laboratório sobre amostras representativas e ensaios de campo  métodos indiretos: correlações empíricas 4.1- Ensaios de laboratório 4.1.1- determinação do coeficiente de permeabilidade (k) a carga constante (NBR 13292/2021)  utilizado para solos com coeficiente de permeabilidade mais elevado (k>10-3 cm/s ou K>10-5m/s)  máximo de 10% passante na peneira nº 200 (0,075mm), solos granulares  se possível usar de água deaerada e filtrada (item 4.2 NBR 13292)  saturação do CP até que se estabeleça um fluxo de água estacionário ou permanente  coleta da água que percola na proveta com cronometragem do respectivo tempo  medida da temperatura do ensaio (T)  𝑘 = 𝑄 𝑖⋅𝐴 𝐾𝑇 = 𝑉⋅𝐿 𝐴⋅∆ℎ⋅𝑡 𝐾20 = 𝐾𝑇 ⋅ η𝑇 η20 Q= vazão= volume de água coletada pela proveta (V) num determinado tempo (t) A= área do CP i= gradiente hidráulico = Δh/L Δh= desnível de água L= comprimento do CP 18 Permeabilidade e percolação de água nos solos 4.1.1- permeabilidade (k) à carga constante (NBR 13292/2021)  permeâmetro:  diâmetro: 8 a 12 vezes o diâmetro máximo do material  altura: 1,5 a 2 vezes o valor do diâmetro  cilindro de plástico transparente ou de metal, tela ou disco perfurado, material granular, saídas de água laterais (com tela) p/ tubos manométricos, saída de fundo  uso de geotextil para evitar carreamento de partículas (piping)  uso de bomba vácuo para retirar ar, auxiliar a saturação do CP de baixo para cima  uso de amostra reconstituída: material granular colocado com funil e submetido ou não a compactação dependendo da compacidade que se deseja  percolação do topo para a base na fase de determinação de K  https://www.youtube.com/watch?v=Ghdy19ejZj4 canal do youtube: labgeo 19 Permeabilidade e percolação de água nos solos 4.1.1- determinação do coeficiente de permeabilidade (k) à carga constante (NBR 13292/2021)  https://www.youtube.com/watch?v=Ghdy19ejZj4 canal do youtube: labgeo 20 Permeabilidade e percolação de água nos solos 4.1- Ensaios de laboratório 4.1.2- determinação do coeficiente de permeabilidade (k) à carga variável (NBR 14545/2021)  utilizado para solos com coeficiente de permeabilidade mais baixo(k<10-3 cm/s)  motivo: dificuldade para medir vazões muito baixas (tempo grande, evaporação da água)  uso de água deaerada e filtrada  saturação do CP até que se estabeleça um fluxo de água estacionário ou permanente  cronometragem do tempo necessário para que a água na bureta atinja a altura ht  medida da temperatura do ensaio (T)  determinação de k 𝐾𝑇 = 2,3 ⋅ 𝑎⋅𝐿 𝐴⋅𝑡 ⋅ 𝑙𝑜𝑔 𝐻0 𝐻𝑡 ou 𝑘 = 𝑎⋅𝑙 𝐴⋅𝛥𝑡 ⋅ 𝑙𝑛 ℎ0 ℎ𝑡 • a= área da bureta • H0= altura inicial da água na bureta 𝐾20 = 𝐾𝑇 ⋅ η𝑇 η20 • Ht= altura da água no tempo t • https://www.youtube.com/watch?v=DNHcV8LR5-4 canal do youtube: Labgeo 21 Permeabilidade e percolação de água nos solos 4.1.1- permeabilidade (k) à carga variável (NBR 14545/2021)  permeâmetro:  camada de areia parte inferior  corpo de prova centralizado e parafinado nas laterais  bentonita nas laterais  camada de areia parte superior • https://www.youtube.com/watch?v=DNHcV8LR5-4 canal do youtube: Labgeo 22 Permeabilidade e percolação de água nos solos 4.1.1- permeabilidade (k) à carga variável (NBR 14545/2021) • https://www.youtube.com/watch?v=DNHcV8LR5-4 canal do youtube: Labgeo 23 Permeabilidade e percolação de água nos solos 4.2- Ensaios de campo: determinação do coeficiente de permeabilidade “in situ”  executados nos próprios locais de implantação das obras civis  frequentemente utilizados em furos de sondagem, mas também em poços e cavas de inspeção  classificados de acordo com método de execução (ensaios com nível d´água constante ou variável) e a pressão aplicada (carga ou descarga)  carga: a vazão é injetada (fornecida); descarga: a vazão é esgotada (retirada)  acima do nível freático, somente se admite a realização do ensaio tipo carga Fonte: ABGE, 2013 Método de execução NA Pressão aplicada Denominação Método de prospecção constante Carga Infiltração Sondagens, poços, cavas constante Descarga Bombeamento Sondagens e poços variável Carga Rebaixamento Sondagens e poços variável Descarga Recuperação Sondagens e poços 24 Permeabilidade e percolação de água nos solos 4.2- Ensaios de campo: determinação do coeficiente de permeabilidade “in situ” a- Ensaio de infiltração  enche-se o furo de água até a boca, tomando-se nesse instante o tempo zero  nível de água no furo deve ser mantido constante, alimentado por uma fonte apropriada  mede-se o volume de água injetado durante o intervalo de tempo (vazão)  𝐾 = 𝑄 ℎ . 1 𝐶∗.𝑟  C*= Cu ou Cs: obtidos em ábacos  ábacos dependem de: L/h; h/r; L/r  Fonte: ABGE, 2013 25 Permeabilidade e percolação de água nos solos 4.2- Ensaios de campo: determinação do coeficiente de permeabilidade “in situ” b- Ensaio de bombeamento pontual  inicia-se o bombeamento da água do furo (retirada da água) tomando-se este instante como tempo zero  anota-se a vazão retirada e o rebaixamento do nível do lençol freático até se estabelecer um rebaixamento constante  𝐾 = 𝑄 ℎ . 1 𝐶∗.𝑟  C*= Cs: obtidos em ábacos  ábacos dependem de: L/r  ℎ = 𝑃2−ℎ12 2𝑃 26 Permeabilidade e percolação de água nos solos 4.2- Ensaios de campo: determinação do coeficiente de permeabilidade “in situ” c- Rebaixamento  enche-se o furo até a boca tomando-se esse instante como tempo zero. Em ensaios realizados acima do NA, o NA do furo deve ser mantido na boca, estável por mais 10 minutos para a saturação  interrompe-se o fornecimento de água e a intervalos curtos no início e mais longos em seguida (15s, 30s, 1min, 2min, 3min, 5min...) acompanha-se o rebaixamento da água no furo  recomenda-se que o ensaio seja dado por concluído quando o rebaixamento atingir 20% da carga inicial aplicada ou 30 minutos  𝑘 = ∆ℎ ∆𝑡 . 𝑑12 8.ℎ0. 𝑑.𝐿  𝑘 = ∆ℎ ∆𝑡 . 𝑑12 4.ℎ𝑚.2𝐿 6,2+𝑑 Fonte: ABGE, 2013 27 Permeabilidade e percolação de água nos solos 4.2- Ensaios de campo: determinação do coeficiente de permeabilidade “in situ” d- Recuperação  bombeia-se a água do furo até se obter um rebaixamento pelo menos 1m abaixo do NA do terreno, após atingir condições de fluxo permanente, isto é, vazões constantes  interrompe-se o bombeamento e controla-se a recuperação do NA. Para término do ensaio recomenda-se seguir as mesmas regras do ensaio de rebaixamento  𝑘 = 𝜋.𝑟2.ln(ℎ1 ℎ2) 𝑆.∆𝑡  𝑘 = ∆ℎ ∆𝑡 . 0,617.𝑟 𝑆.𝑃  S e P: ábacos Fonte: ABGE, 2013 28 Permeabilidade e percolação de água nos solos 4.3- Métodos indiretos, correlações empíricas  para areias: Fórmula de Hazen – coeficiente de permeabilidade em função da granulometria do solo  𝑘 = 𝐶 ⋅ 𝐷𝑒2 k= coef. perm. (cm/s); De = diâmetro efetivo(cm) ; C=cte, 90<C<120 geralmente 100; válida p/ Cu<5 Cu=D60/D10  para argilas e siltes: ensaio de adensamento  𝑘 = 𝑐𝑣 ⋅ 𝑚𝑣 ⋅ 𝛾𝑤 ou 𝑘 = 𝑇⋅𝐻𝑑2 𝑡 ⋅ 𝑚𝑣 ⋅ 𝛾𝑤 cv= coeficiente de adensamento; mv=coeficiente de compressibilidade volumétrica; T = fator tempo  outras correlações:  Fórmula da lei de Poiseuille adaptada por Taylor: 𝑘 = 𝐶 ⋅ 𝐷𝑒2 ⋅ 𝛾𝑤 𝜂𝑤 ⋅ 𝑒3 1+𝑒 C = fator de forma 29 Permeabilidade e percolação de água nos solos 5- Ruptura hidráulica  um tipo de ruptura hidráulica é a “areia movediça”  perda de resistência do solo por redução das tensões efetivas  critério de resistência de Mohr-Coulomb: 𝜏 = 𝑐 + 𝜎 ⋅ 𝑡𝑔𝜑  em solos saturados: 𝜏 = 𝑐 + 𝜎, ⋅ 𝑡𝑔𝜑  em solos arenosos: 𝜏 = 𝜎′ ⋅ 𝑡𝑔𝜑 𝜏 = (𝜎 − 𝑢) ⋅ 𝑡𝑔𝜑  qdo a poropressão se iguala a tensão total, a tensão efetiva será zero  solo apresenta propriedades de líquido viscoso,  perdendo as condições de suporte, pois 𝜏 =zero.  ou seja, a força de percolação (ascendente) gerada se iguala às forças gravitacionais efetivas, de modo que a resultante é nula  nesse instante, o valor do gradiente hidráulico (i) é denominado gradiente crítico (ic) 30 Permeabilidade e percolação de água nos solos 5- Ruptura hidráulica  exemplos de possibilidade de ruptura hidráulica tipo “areia movediça” Fonte: Lambe e Whitman, 1969; Vargas , 1977 31 Permeabilidade e percolação de água nos solos 5- Ruptura hidráulica  outro tipo de ruptura hidráulica é o “piping”  erosão interna ou arrastamento dos grãos do solo pelas forças de percolação  se inicia num ponto de emergência de água e progride para trás, carreando os grãos de solo em torno de um filete d’água (linha de fluxo) cujo gradiente hidráulico é suficiente para arrastar os grãos  resultado: formação de um tubo ao longo do filete de água crítico; ela é também chamada de retroerosão tubular (“piping”)  força de percolação vence a coesão e/ou atrito entre os grãos 32 Permeabilidade e percolação de água nos solos 6- Filtros de proteção • sistema de drenagem composto de materiais granulares com ou sem a colaboração de geossintéticos • finalidades: • aumentar a tensão efetiva sem aumentar a poropressão do material de base ( solo a ser protegido) • recolher e dar vazão a água contida no material de base (solo a ser drenado e protegido) • impedir o carreamento de partículas do material de base durante o fluxo de água, sem contudo obstruir-se (proteção contra piping) • permitir o fluxo de água proveniente do material de base sem o desenvolvimento de poropressões 33 filtro horizontal Permeabilidade e percolação de água nos solos 6- Filtros de proteção • critério de Terzaghi: dimensionamento granulométrico • permeabilidade suficiente: D15 filtro ≥ 4 ou 5 x D15 solo • vazios suficientemente grandes para drenagem livre (perda de carga hidráulica desprezível) • proteção ao “piping”: D15 filtro ≤ 4 ou 5 x D85 solo • vazios de solo suficientemente pequenos para impedir carreamento • filtro: material com curva granulométrica dentro da área hachurada 34 Permeabilidade e percolação de água nos solos 6- Filtros de proteção, Exercício-exemplo Determinar para o solo cuja curva granulométrica está apresentada a seguir, a faixa granulométrica de um filtro de proteção utilizando o critério de Terzaghi 35 Permeabilidade e percolação de água nos solos 6- Filtros de proteção, Exercício-exemplo, solução D15 filtro ≥ 4 ou 5 x D15 solo D15 filtro ≥ 4 x 0,0085 = 0,034mm D15 filtro ≤ 4 ou 5 x D85 solo D15 filtro ≤ 5 x 0,18=0,9mm faixa de proteção 36 Permeabilidade e percolação de água nos solos Referências Bibliográficas ABGE (2013): Ensaios de permeabilidade em solos- orientação para execução em campo, boletim 4, 1981, ABGE- Associação Brasileira de Geologia de Engenharia, republicada em 2013 ABNT NBR 13292 - Solo - Determinação do coeficiente de permeabilidade de solos granulares à carga constante, Rio de Janeiro – 2021, 13p. ABNT NBR 14545 - Solo - Determinação do coeficiente de permeabilidade de solos argilosos à carga variável, Rio de Janeiro – 2021, 16p. Bueno, B.S. e Vilar, O.M. (1994). Mecânica dos Solos, apostila EESC/USP Companhia Energética de São Paulo (CESP) – Laboratório Central de Engenharia Civil – Determinação do Coeficiente de Permeabilidade de meios Porosos em Laboratório – MSL 09. Lambe, T.W. e Whitman, R.W.(1969). Soil Mechanics. John Wiley and Sons, 548p. Massad, F. (2016) Mecânica dos Solos Experimental. Oficina de textos, São Paulo, 287p. Souza Pinto, C. (2006). Curso básico de Mecânica dos Solos em 16 aulas, 3ª edição, Editora de Textos, São Paulo, 354p. Vargas, M. (1977). Introdução a Mecânica dos Solos. Mc Graw Hill 37