Ensaios de canais hidráulicos para avaliação da erodibilidade e seus parâmetros

Muitos autores, na busca da compreensão do processo erosivo, iniciaram pesquisas

voltadas à simulação de condições similares às encontradas em campo quando ocorre uma

precipitação e, consequentemente, o fluxo superficial de água. Os métodos que se baseiam

neste tipo de proposta – tentando recriar um processo erosivo artificialmente – são chamados

de diretos, diferentemente dos indiretos que correlacionam diversos parâmetros na tentativa

de estimar a erodibilidade de um solo. Neste sentido, diversas propostas surgiram para suprir

esta lacuna na pesquisa. Entretanto, recriar um processo erosivo em campo trata-se de um

processo muito complexo e dispendioso, necessitando sistemas de grande de escala tanto de

simulação de precipitação e fluxo como de coleta do material erodido. Sem contar na

necessidade de manutenção do conjunto todo.

Diante disso, diversos autores propuseram ensaios simplificados, passíveis de

aplicação em laboratório, com a possibilidade de trabalhar com menores amostras de solo –

facilitando todo o processo de análise. Estes ensaios, denominados de ensaios em canais

hidráulicos, consistem em rampas em que amostras de solo – de tamanhos variados a

depender da proposta de estudo e geralmente indeformadas – são submetidas a um fluxo de

água simulado de condições hidrodinâmicas controladas. Estes ensaios têm como vantagem,

além da facilidade na execução, a capacidade de reproduzir uma condição de fluxo próxima à

real observada na erosão de sulcos e ravinas. Entretanto, os principais problemas

relacionados aos canais hidráulicos são a diferença de rugosidade superficial entre a amostra

de solo e o leito do equipamento, a incerteza na estimativa da tensão cisalhante atuante e

imperfeições e má distribuição da umidade na superfície das amostras (Hollick, 1976).

Com o desenvolvimento das metodologias, o estudo da hidráulica de canais

contribuiu na busca de parâmetros que pudessem ser associados à quão erodível um solo é.

Os projetos de canais em materiais erodíveis eram originalmente baseados na velocidade de

fluxo (Bastos, 1999). Entretanto, tempos depois, os conceitos de tensão cisalhante hidráulica

e taxa de erodibilidade assumiram este posto e tem sido largamente empregados.

A tensão cisalhante hidráulica, de acordo com Bastos (1999) é definida como a tensão

cisalhante exercida pelo fluxo no contorno do canal, sendo a tensão cisalhante crítica a

máxima tensão que o solo pode sofrer sem haver movimento de partículas na superfície. Já a

taxa de erosão representa o gradiente da relação estabelecida entre a tensão cisalhante

aplicada no solo e a perda de solo medida. Trabalhando com estes parâmetros de análise,

diversas pesquisas focaram-se na formatação do aparelho e nas condições de ensaios

corretas. Uma das propostas mais reconhecidas, neste sentido, é o ensaio de Inderbitzen.

2.4.3.1 Método direto de avalição da erodibilidade - ensaio de Inderbitzen

O ensaio de Inderbitzen, também conhecido como erosômetro ou ainda ensaio de

erosão, é o mais utilizado dentre os ensaios em canais hidráulicos no meio geotécnico, sendo

estudado e aplicado por diversos pesquisadores como Fácio (1991), Bastos (1999), Freire

(2001), entre outros. Este ensaio é fundamentado em métodos empíricos e, apesar de não ser

normatizado, apresenta resultados satisfatórios na avaliação da erodibilidade dos solos. Além

disso, consiste em um ensaio de simples execução e baixo custo de implementação quando

comparado a outros ensaios do mesmo tipo, o que o torna alvo de várias pesquisas.

Inderbitzen (1961) apresentou, no seu estudo “An erosion test for soils”, a concepção

original de um método de ensaio para avaliação da erodibilidade do solo através do uso de

um canal hidráulico artificial. Inicialmente, o autor idealizou um equipamento que pudesse

monitorar o volume de perdas dos solos em decorrência dos processos erosivos gerados pela

água. Com isso, projetou um equipamento com a função de simular como uma amostra de

solo comporta-se, frente à erosão, quando é submetida a um fluxo de água superficial, em

condições próximas às encontradas em campo. No ensaio proposto projetou o equipamento,

também, de forma a possibilitar a verificação da influência de diversos fatores

condicionantes dos processos erosivos como a declividade de rampa, a compactação do solo

e vazão e duração do fluxo de água. Entretanto, o aparelho não tem a capacidade de simular o

efeito de desagregação das partículas do solo ocasionado pelo impacto das gotas de chuva em

uma precipitação. Em razão disso, o volume de solo erodido e coletado no ensaio é menor do

que é constatado em uma situação real.

Inicialmente utilizado no exterior, o ensaio foi introduzido pela primeira vez no

Brasil no período de 1975 a 1978, no qual foi adotado como ensaio geotécnico para avaliação

da erodibilidade dos solos na pesquisa “Estabilidade de Taludes”

(IPR/COPPE/TRAFECON). O equipamento utilizado, na época desta pesquisa, consistia em

uma adaptação daquele primeiro projetado por Inderbitzen no trabalho original. Depois desta

experiência com a metodologia, coordenada pelo Instituto de Pesquisas Rodoviárias (IPR), o

uso do ensaio somente ressurgiu com força no início da década de 90.

No Brasil, Rego (1978) foi um dos pioneiros na introdução do ensaio de Inderbitzen

no meio geotécnico, ao utilizá-lo no estudo da erosão superficial em taludes de solo residual

de gnaisse, no estado do Rio de Janeiro. É necessário, também, fazer o registro do importante

trabalho de Rodrigues (1982), autor este, que aplicou a metodologia de Inderbitzen na

pesquisa de algumas voçorocas da região Centro-Leste do Estado de São Paulo.

Com o aprofundamento teórico em relação aos estudos voltados para obtenção dos

índices de erodibilidade do solo conseguido via dados do ensaio Inderbitzen, houve a

necessidade de que se fizesse novas adaptações no sentido de melhorar a forma de

representação do fluxo laminar da água na superfície, e com isso possibilitar a representação

quantificada mais adequada da erodibilidade do solo através do ensaio Inderbitzen

(AGUIAR e ROMÃO, 2009). Diante disso, vários pesquisadores tais como Bastos (1999),

Fragassi (2001), Santos (2001), Ramidan (2003), entre outros, propuseram modificações no

ensaio visando obter resultados satisfatórios.

Fácio (1991), ao analisar comparativamente a erodibilidade em um perfil de solo ou

entre solos de comportamentos distintos quanto à erosão, propôs uma forma de padronização

do ensaio de Inderbitzen quanto aos parâmetros de declividade de rampa, vazão e duração

mínima do ensaio. Esta padronização proposta surgiu no seu estudo de solos do Distrito

Federal, no qual, ao adaptar o equipamento original, identificou e fixou como parâmetros

ideais de ensaio: inclinação de rampa de 10°, vazão de ensaio de 50 ml/s e tempo de ensaio de

20 minutos.

Ao estudar a evolução de processos erosivos em Goiânia, Santos (1998) também

apontou algumas alterações no ensaio a fim de melhorar os resultados obtidos. Baseado nas

condições propostas por Fácio (1991), o autor sugeriu a redução da largura de rampa do

equipamento e o aumento no tempo de ensaio que passou de 20 para 30 minutos. Estas

modificações foram efetuadas após o autor concluir que tais condições permitem que a

erosão ocorra gradativamente, facilitando a observação do processo erosivo –

independentemente do tipo de solo estudado.

Em outra região, Bastos (1999) utilizou os ensaios de Inderbitzen no estudo de solos

residuais da região metropolitana de Porto Alegre, obtendo uma boa resposta na estimativa

do fator de erodibilidade (K) em amostras de diferentes condições de umidade. Neste

trabalho, o autor trabalhou com duas condições de vazão e várias inclinações de rampa,

concluindo que o método se mostrava bastante promissor na avaliação da erodibilidade dos

solos. Bastos (1999), então, desenvolveu um novo equipamento para realização do ensaio de

Inderbitzen.

O novo dispositivo consiste em uma rampa hidráulica produzida em chapa metálica e

modificada para as dimensões de 25 centímetros de largura e 60 centímetros de

comprimento. A rampa citada é dotada de um orifício central de 10 centímetros de diâmetro,

projetado para que amostras indeformadas de solos sejam acopladas no mesmo, de maneira a

sofrer a ação do fluxo de água que escoa pela rampa. O autor utilizou-se de amostras

indeformadas - que mantém a estrutura original do solo - de altura 5 centímetros e diâmetro

de 9,76 cm, ensaiando-as em três condições de umidade diferentes: umidade natural, seca ao

ar e pré-umedecida. Além disso, o equipamento elaborado por Bastos (1999) permite a

verificação do comportamento erosivo diante da variação na declividade da rampa. Isto é

conseguido através de ajustagem na base da rampa que possibilita ensaios com inclinações de

10°, 26°, 45° e 54°. Segundo a proposta do autor, também, são utilizadas vazões de

escoamento de 3 l/min e 6 l/min – simulando escoamentos provocados por precipitações de

menor e maior volume, respectivamente - e um tempo total de ensaio de 20 minutos,

considerado suficiente para obtenção de resultados satisfatórios (Figura 2.8).

Já Lima (1999) utilizou as condições propostas por Santos (1997) – inclinação de

rampa de 10°, vazão de 50 ml/s e tempo de ensaio de 30 minutos – em amostras com duas

condições de umidade diferentes: natural e saturada. As amostras saturadas eram obtidas

através do reaproveitamento das que haviam sido ensaiadas na condição natural.

Outro autor a utilizar-se das condições sugeridas por Santos (1997), Motta (2001)

modificou somente os parâmetros referente às vazões e às inclinações utilizadas. O autor

utilizou intervalos de vazão compreendidos entre 25 ml/s e 75 ml/s e declividades de 5° a

40°. Estas mudanças foram propostas visando observar uma variação da velocidade de

escoamento da água no ensaio. Esta particularidade, assim como outras adotas por este autor,

seguiram orientações do trabalho de Fácio (1991).

Alguns outros autores propuseram mudanças ainda mais significativas ao aparelho

Inderbitzen na tentativa de simular o efeito da precipitação sobre as amostras de solo. Freire

(2001) expôs as amostras de solo ao efeito dos fenômenos de desagregação seguido do

escoamento superficial, resultando no novo ensaio “GES” – Grau de Erodibilidade do Solo.

O equipamento utilizado pelo autor consiste em duas linhas de chuveiramento através de

tubos perfurados, dispostos a uma altura de 0,20 m, com sua pressão controlada por

manômetros.

Motta (2001) também fez parte dos pesquisadores que trabalharam na tentativa de

simular o efeito causado pela chuva no processo erosivo ao seguir as orientações de

Inderbitzen (1961). Neste estudo específico, este se utilizou do aparelho de Inderbitzen, no

qual acoplou um chuveiro a uma altura de 38 centímetros acima do local da amostra. Desta

forma, aplicava uma precipitação simulada sobre o solo estudado (Figura 2.9). Além disso,

fixou 20 minutos como tempo de ensaio e 10° como inclinação de rampa utilizadas.

Diferentemente de outros estudos, neste o escoamento superficial característico do ensaio de

Inderbitzen não foi utilizado, somente observando o efeito produzido pela precipitação

artificial. A intensidade da chuva simulada foi controlada através de medidas de volumes

pela unidade de tempo, antes do início dos ensaios. Os resultados oriundos dos ensaios de

precipitação obtidos pelo autor para as amostras de solos estudadas mostraram,

comparativamente, perdas de quatro a sete vezes menores do que as observadas nos ensaios

tradicionais de Inderbitzen para as mesmas amostras. Apesar do efeito de destacamento

produzido pelas gotas de chuva ser menor do que o do escoamento superficial produzido no

ensaio tradicional, é possível perceber que a influência do efeito splash pode ser, também,

significativa.

Diante de todas as modificações propostas e resultados obtidos através do ensaio de

Inderbitzen, Fácio (1991) constatou certas tendências de comportamento gerais:

 A perda de solo aumenta com a diminuição do grau de saturação inicial da

amostra;

 A perda de solo aumenta com o aumento da vazão;

 A perda de solo é maior nos primeiros 5 minutos de ensaio, como pode ser

verificado nos resultados apresentados pelo Instituto de Pesquisas

Rodoviárias - IPR (1979).

Figura 2.9 – Sistema de simulação de chuva acoplado ao aparelho de Inderbitzen.

Fonte: Motta (2001)

Neste capítulo foi apresentado um conjunto de conceitos sobre a temática erosão,

suas diversas formas e condicionantes, visando fomentar a realização desta pesquisa. Diante

disso, foi possível conhecer as fases do desenvolvimento de um processo erosivo, discutir a

dinâmica envolvida na erosão de um solo e elencar alguns dos ensaios mais utilizados no

meio geotécnico para determinação da erodibilidade dos solos, fixando maior atenção ao

ensaio de Inderbitzen – principal alvo deste presente trabalho.

3 METODOLOGIA

Nesta seção é apresentada a metodologia aplicada a este trabalho que divide-se em

três etapas denominadas: etapa de gabinete, etapa de campo e etapa de laboratório.

No documento UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE TRANSPORTES CURSO DE ENGENHARIA CIVIL (páginas 30-37)