Curva de condutividade hidráulica em solos não-saturados

A curva de condutividade hidráulica relaciona a condutividade hidráulica do solo com o conteúdo de água armazenada ou sucção para uma determinada porosidade. Então, pode- se dizer que o coeficiente de permeabilidade do solo saturado corresponde a ponto específico da curva de condutividade dos solos não-saturados, quando o armazenamento de água é máximo.

Enquanto o coeficiente de permeabilidade saturado (ksat) depende do volume de

vazios efetivamente disponível para o fluxo, a condutividade hidráulica (kw) depende também

do volume de água presente no meio e do histórico de saturação do solo (histerese). Logo, materiais que possuem menor capacidade de reter umidade podem, a partir de um determinado valor de sucção, apresentar condutividades hidráulicas inferiores à de materiais mais finos, que retêm maior volume de água, e o não preenchimento do vazios cria bolsões de ar que interrompem os canais de fluxo, reduzindo a condutividade.

Quando analisada em relação à sucção, verifica-se que a condutividade hidráulica se mantém constante até valores próximos ao valor de entrada de ar, definindo a região em que o material se encontra no estado saturado. Para valores superiores de sucção, observa-se o início da perda de umidade e o valor de condutividade hidráulica diminui gradativamente (Figura 20).

Figura 20 – Correlação entre a curva característica e curva de condutividade hidráulica

Tanto a condutividade hidráulica saturada quanto a não-saturada podem ser determinadas por métodos diretos (ensaios de campo ou de laboratório) ou por métodos indiretos. Os métodos diretos experimentais podem ser divididos em: permanente, onde o fluxo independe do tempo; e transiente, em que o fluxo é associado ao tempo.

Carvalho et al. (2015) descreveu ensaios de laboratório para a obtenção do coeficiente de condutividade hidráulica em solos não-saturados. Os ensaios podem ser o de permeabilidade à carga ou vazão constante (regime permanente) e o de permeabilidade à carga variável (regime transiente), podendo o segundo ser executado pelos métodos de absorção- drenagem ou de infiltração vertical.

As metodologias experimentais permitem maior controle das condições de contorno consideradas para cada caso e utilizam amostras indeformadas e de boa qualidade, evitando aquelas que possuem microfissuras que possam resultar em alteração nos resultados dos ensaios. Os procedimentos podem ser realizados em permeâmetros de parede rígida ou flexível, podendo-se aplicar um fluxo unidimensional em amostras horizontais ou verticais.

A. Regime Permanente

Em relação aos ensaios em regime permanente, o método à carga constante para solos não-saturados é aplicada uma carga hidráulica constante, através do uso de buretas graduadas ou frascos de Mariotte nas extremidades do permeâmetro, medindo-se a vazão que percorre a amostra no regime permanente (FREDLUND e RHARDJO, 1993). Durante o ensaio, as condições de sucção matricial são mantidas constantes, através da técnica de translação de eixos. Dois tensiômetros são instalados no material, a fim de obter os valores de sucção. Na figura 21 – A é possível visualizar a montagem do ensaio, onde a carga Δh é mantida constante através do uso de buretas (MONCADA, 2008).A condutividade do material é obtida através da Lei de Darcy e do resultado do ensaio para cada valor de umidade.

Como vantagens do ensaio, pode-se citar a facilidade da montagem do ensaio e na análise dos resultados. Entretanto, os longos períodos de tempo para se atingir o regime permanente e a necessidade de se aferir vazões muitos pequenas tornam esse método desvantajoso.

A outra metodologia de ensaio à regime permanente é o ensaio à vazão constante, em que se mede o gradiente hidráulico nas extremidades do corpo de prova, após a aplicação de uma vazão conhecida. Nesse caso, o tempo para se atingir o regime permanente é reduzido

através da utilização de uma bomba de fluxo, que permite a aplicação de pequenas vazões (valores de até 10-7 _cm³/s).

Sobre o corpo de prova é aplicada uma pressão de ar até se observar a constância dos valores de sucção (medida por transdutores). Em seguida, aplica-se uma vazão no elemento (bomba de fluxo) e se obtém o gradiente hidráulico resultante. Os valores resultantes são utilizados na Lei de Darcy para o cálculo da permeabilidade correspondente. O procedimento é repetido para diferentes teores de umidades, que podem ser variados com o uso de uma bomba unidirecional acoplada ao sistema, posteriormente, obtendo-se a curva de condutividade hidráulica. Olsen et al. (1994), conforme citado por Moncada (2008), descreve um sistema para a realização do ensaio.

Figura 21 – Sistema de ensaio em regime permanente

A) Técnica de carga constante B) Técnica de vazão constante

Fonte: MONCADA, 2008

A figura 22 – B demonstra o funcionamento do equipamento desenvolvido por Olsen et al. (1994), conforme citado por Moncada (2008), onde uma bomba bidirecional (P) aplica e extrai água à vazões idênticas em ambas as extremidades do corpo de prova (S). As duas extremidades do corpo de prova ficam em contato com pedras porosas com alta entrada de ar, sendo que a localizada na parte superior, mais grossa, possui um furo que permite a aplicação de pressão de ar (PR).

A bomba unidirecional (W) localizada abaixo é responsável pelo controle da umidade da amostra, que permite injetar ou extrair água em sua base. O sistema possui três transdutores diferenciais (M, N e Q) com uma de suas extremidades conectadas à base do corpo de prova. A outra extremidade do transdutor M afere a pressão de água no topo, a fim de determinar a perda de carga no sistema; a do transdutor Q monitora a pressão de ar no topo, com o objetivo de medir a sucção; e a do transdutor N verifica as diferenças entre a pressão

confinante e a pressão na base do corpo de prova. O regulador de pressão (DPR) permite manter constantes essas diferenças. Quando o equilíbrio de sucção, aferido pelo trandutor Q, é atingido, prossegue-se com o acionamento da bomba de fluxo (P) e a diferença de cargas induzida pela vazão é obtida. O cálculo da permeabilidade é feita através da Lei de Darcy e a função permeabilidade é obtida pela variação da umidade do corpo de prova (OLSEN ET AL. 1994 APUD MONCADA, 2008).

B. Regime Transiente

Dentre as duas metodologias de ensaio em regime de fluxo transiente, uma das mais utilizadas é o de infiltração vertical (MONCADA, 2008). Nesse caso, sobre uma coluna de solo, inicialmente, à um baixo teor de umidade, aplica-se um fluxo transiente (Figura 22). O fluxo de água que ocorre de um ponto à outro, em um certo período de tempo, é estimado pelas variações no perfil de umidade da amostra com o tempo, obtido através das leituras de transdutores distribuídos regularmente ao longo da altura do corpo de prova (FREDLUND e RAHARDJO, 1993).

Transcorrido um certo período de tempo, o gradiente de pressão sobre a amostra tende à zero e o perfil de umidade se desloca de forma descendente, com velocidade e forma constantes. Nesse momento, a taxa de infiltração é igualada à condutividade hidráulica correspondente aos valores de umidade e sucção na interface superior do elemento de coluna (CARVALHO ET AL. 2015). Com base nas leituras dos tensiômetros e na curva de retenção hídrica do material, obtém-se os perfis de sucções e calcula-se o gradiente hidráulico.

As condições de contorno do ensaio são controladas ou conhecidas em uma ou ambas as extremidades da coluna de solo. À partir dos perfis de volume de água (obtidos à partir dos perfis de umidade) e de gradiente hidráulico, pode-se calcular a permeabilidade através da Lei de Darcy.

Figura 22 – Método de infiltração vertical

Fonte: FREDLUND e RAHARDJO, 1994

Outro método em regime transiente utilizado é o de absorção-drenagem, no qual é medido, em função do tempo, o volume de água expulso do interior de um corpo de prova de solo ao se aplicar um incremento de sucção, através do uso de uma célula de pressão ou placa de pressão. A permeabilidade é obtida através da diferentes soluções para a equação de Richard (Moncada, 2008) e dos resultados obtidos. A metodologia para a aplicação desse método pode ser vistas em Klute e Dirksen (1986) e Conceição et al. (2014).

Além dos ensaios de laboratório, pode-se descrever dois ensaios realizados em campo, que são o ensaio de perfil instantâneo (em campo) e o permeâmetro de Guelph. O primeiro tem por objetivo obter uma relação entre o conteúdo de água e o tempo de redistribuição ao se adotar um gradiente unitário. O procedimento consiste na saturação de uma coluna vertical de solo em campo, monitoramento da umidade volumétrica (TDR ou sensor de neutrôns) e sucção (tensiômetros) ao longo da profundidade. A condutividade hidráulica é estimada através da obtenção das vazões em diferentes profundidades e aplicação da Lei de Darcy (CARVALHO et al., 2015).

O segundo método (permeâmetro de Guelph), pode ser entendido com a realização de um ensaio de permeabilidade à carga constante em um furo de sondagem, onde são impostos pequenos valores carga total e feitas medidas consecutivas de vazões, permitindo determinar o coeficiente de permeabilidade saturado e o potencial matricial de fluxo. Conhecendo-se a área do orifício de saída do tubo de Mariotte utilizado, a variação da altura da lâmina de água em seu interior (régua graduada) e o tempo decorrido, pode-se obter o valor de vazão associado. Através dos resultados do ensaio, pode-se avaliar a função de condutividade não-saturada (k()), segundo a proposta de Gardner (1958).

Através da literatura, pode-se encontrar diversas métodos indiretos para a obtenção da curva de condutividade hidráulica. Todas levam em consideração o coeficiente de permeabilidade do solo saturado, obtido através dos ensaios de permeabilidade convencionais, como parâmetro base, além dos valores de sucção e parâmetros de ajuste. Assim, Carvalho et al. (2015) lista os principais métodos utilizados (Quadro 3). Assim como para a curva de retenção, o método adotado também foi o de van Genuchten (1980).

Quadro 3 – Métodos para obtenção da curva de condutividade hidráulica