Nesta etapa, de posse das amostras de solo coletadas, foram realizados os ensaios de
caracterização geotécnica dos materiais e o ensaio de Inderbitzen como método de avaliação
da erodibilidade das camadas de solos e rochas estudadas neste trabalho.
3.3.1 Ensaios de caracterização geotécnica dos solos
Com o objetivo de caracterizar geotecnicamente os materiais estudados, foram
efetuados diversos ensaios base como: análise granulométrica e de determinação de índices
físicos, tais como: teor de umidade natural (ω), grau de saturação (S), porosidade (η), índice
de vazios (e); massa específica aparente natural (γ), massa específica real dos grãos (γ
s),
massa específica aparente seca ( ); e os limites de Atterberg: limite de liquidez (wl), limite
de plasticidade (wp) e índice de plasticidade (I.P.).
A análise granulométrica por peneiramento e sedimentação foi realizada com base na
norma ABNT NBR 7181/84 (Solo – Análise granulométrica), sendo classificada através da
escala ABNT NBR 6502/95 (Rochas e Solos).
Já os ensaios de limites de Atterberg: limite de liquidez e limite de plasticidade foram
realizados de acordo com a norma ABNT NBR 6459/84 (Solo – Determinação do limite de
liquidez) e a norma NBR 7180/84 (Solo – Determinação do limite de plasticidade),
respectivamente.
O peso específico real dos grãos, por sua vez, foi determinado com base na norma
ABNT NBR6508/84 (Grãos de solo que passam pela peneira de 4,8 mm – Determinação da
massa específica) através do método do picnômetro.
3.3.2 Ensaio para avaliação e quantificação da erodibilidade – ensaio de Inderbitzen
Este trabalho, para execução do ensaio de Inderbitzen, utilizou equipamento similar
ao utilizado por Bastos (1999) em sua pesquisa. Trata-se de um equipamento, construído no
LMS/UFRGS, que compreende uma rampa hidráulica produzida em chapa metálica com as
seguintes dimensões: 25 cm de largura e 60 cm de comprimento. A simulação do escoamento
superficial é feita sobre essa rampa, permitindo observar e comparar o processo erosivo em
uma amostra de solo (Lemos, 2007).
Esta rampa é dotada de um orifício central, de 10 cm de diâmetro, no qual é acoplada
uma amostra indeformada de solo confinando em um anel de PVC biselado. Os anéis de
amostragem em PVC, para este ensaio, tem 10 cm de diâmetro e 5 cm de altura e são
posicionados no orifício de maneira que a face superior da amostra coincida com o plano da
rampa. Esta acoplagem permite que o escoamento laminar entre em contato com o solo
amostrado. Outra característica da rampa hidráulica metálica é o fato de ela ser articulada
permitindo ensaiar amostras em inclinações variáveis de 0°, 26°, 45° e 54°. Segundo Bastos
(1999) estas inclinações escolhidas procuram simular as declividades e inclinações de
taludes envolvidos nas áreas teste (Figura 3.3).
O fluxo de água a ser simulado é alimentado diretamente da rede hidráulica e o
controle da abertura do fluxo e a medida de vazão são realizados, respectivamente, por um
registro e um rotâmetro - estes instalados junto ao ponto de alimentação de água (Figura 3.3).
Através da calibragem do rotâmetro, é possível trabalhar com a simulação de diferentes
vazões através do canal artificial, traçando paralelos com situações de campo. Neste trabalho,
assim como na proposta de Bastos (1999), foram utilizadas duas vazões diferentes nos
ensaios: 3 l/min e 6 l/min. As vazões foram definidas de acordo com a capacidade de
escoamento da rampa e pela sensibilidade dos valores de perda de solo medidos.
Figura 3.3 – Equipamento de Inderbitzen utilizado.
Fonte: Tatto (2007).
Como citado acima, as amostras de solo utilizadas no ensaio de Inderbitzen são
indeformadas, de modo a preservar a estrutura e as características originais do solo. Além
disso, os ensaios são procedidos com amostras em três condições de umidade diferentes:
umidade natural, seca ao ar e pré-umedecida. As amostras, no estado natural de umidade, são
conservadas de maneira a apresentarem, na data do ensaio, as mesmas características de
umidade da data em que foram coletadas. Isto é conseguido através de um invólucro
constituído por uma camada de parafina aplicada nas faces de solo exposto da amostra e por
uma proteção plástica que envolve a amostra após a mesma ser parafinada. Já para a condição
seca, a proteção de parafina das amostras é retirada e as mesmas ficam expostas ao ambiente,
secando ao ar, por no mínimo 72 horas antes de serem utilizadas no ensaio. Na condição
pré-umedecida, as amostras são, também, retiradas do invólucro protetor e repousam, por no
mínimo 24 horas, sobre uma pedra porosa que por sua vez é assentada sobre uma lâmina
d’água – de forma a saturar a amostra por capilaridade.
O sistema de coleta e de seleção do material erodido é constituído por baldes plásticos
de 60 litros, estes posicionados na extremidade final da rampa para receber o fluxo de água
contendo sedimentos. Para a seleção do material, é utilizado um conjunto de peneiras em que
o conteúdo dos baldes é despejado, cuidadosamente, para posterior pesagem do que foi
retido. Fazem parte deste conjunto peneiras de malhas 4,8 mm (peneira #4); 2,0 mm (peneira
#10); 0,42 mm (peneira #40) e, por fim, 0,074 mm (peneira #200). Os procedimentos
realizados no ensaio são, passo a passo, descritos abaixo:
(1) As amostras indeformadas de solo são cuidadosamente manipuladas para
manutenção da estrutura original, sendo – primeiramente – retirada a camada de parafina
protetora. Após isso, as amostras são rasadas nivelando-as com o plano formado pela face do
anel e, então, são pesadas para a caracterização física (Figura 3.4). Quando as amostras são
utilizadas na condição de umidade natural, este processo é efetuado no mesmo dia do ensaio.
Já quando se ensaia o solo na condição seca ao ar, o processo descrito é efetuado 72 horas
antes do ensaio propriamente dito, deixando a amostra atingir a condição pré-estipulada. Da
mesma forma, para a condição pré-umedecida, a amostra é preparada 24 horas antes da
execução do ensaio, porém saturando-a como é descrito neste trabalho.
(2) A vazão hidráulica é, então, aferida através da aplicação de um fluxo prévio sobre
a rampa e observação do rotâmetro instalado. Este fluxo tem, também, a função de umedecer
a rampa, de modo a diminuir a resistência na camada laminar de água durante o ensaio.
(3) O anel contendo a amostra de solo devidamente preparada é fixada no orifício
central da rampa metálica, observando e garantindo o nivelamento da face superior do anel
com o plano da rampa.
(4) O ensaio é iniciado liberando o fluxo de água que segue através da rampa
metálica, erodindo o solo da amostra – mais ou menos a depender do tipo de solo – e
carreando-o ao longo da rampa metálica, até ser depositado em um balde colocado abaixo da
extremidade da mesma. O material erodido é coletado por baldes distintos que são
substituídos quando o tempo de ensaio chega a 1, 5, 10 e 20 minutos, respectivamente. Após
a finalização do fluxo, aos 20 minutos, o material coletado nos baldes é passado pelo
conjunto de peneiras do ensaio, para determinação do material retido (Figura 3.5).
(5) O material retido em cada uma das peneiras utilizadas é, então, recolhido e
colocado em cápsulas numeradas individuais e levado à estufa para obtenção de seu peso
seco. Da mesma maneira, o solo remanescente no anel amostrador é retirado deste e colocado
em cápsula adequada para determinação do peso seco correspondente.
(6) Já o material passante na peneira de malha 0,074 mm (peneira #200) é medido de
forma indireta, a partir de uma amostra representativa da mistura de água com finos. Isto é
obtido, através da homogeneização da mistura contida no balde e coleta de uma amostra
através de um recipiente adequado que é, também, levado à estufa para determinação do peso
seco dos sedimentos.
(a) (b)
Figura 3.4 – (a) Amostra sendo rasada e preparada para o ensaio; (b) ensaio em execução,
com o material erodido sendo coletado.
(a) (b)
Figura 3.5 – (a) Material coletado passando pelo conjunto de peneiras; e (b) exemplo de
amostra ao final do ensaio.
Fonte: Fernandes (2011).
Os resultados obtidos através do ensaio são, então, plotados em um gráfico que
representa a relação entre a perda de solo acumulado por unidade de área da amostra (g/cm²)
e o tempo total de ensaio (minutos) (Figura 3.6).
Figura 3.6 – Curva típica da perda acumulada de solo por área de amostra versus tempo para
o ensaio Inderbitzen.
Fonte: adaptado de Bastos (1999).
Após isso, utilizando os dados referentes à perda de solo em g/cm²/min do
procedimento anterior, os mesmos são plotados juntamente com a tensão hidráulica atuante
no escoamento τh (Pa), sendo esta estimada por Bastos (1999) através da Equação 1:
τ
h= γ. h. d (1)
Onde:
γ = peso específico da água (N/cm³)
h = altura da lâmina d’água de fluxo (cm)
d = declividade da rampa.
A altura da lâmina d’água (h) que atua sobre a amostra foi estimada, segundo Bastos
(1999), a partir dos valores da velocidade de escoamento (medida pela técnica do corante), da
vazão e da largura da rampa através da Equação 2:
h =
L
v
Q
. (2)
Onde:
Q = vazão do fluxo (cm³/s)
v = velocidade do escoamento (cm/s)
L = largura da rampa (cm).
Os valores de velocidade de escoamento (v), altura da lâmina d’água (h) e tensão
cisalhante hidráulica (τ
h) para combinações de vazão (Q) e inclinação de rampa (i) são
apresentados na Tabela 3.1, conforme Bastos (1999).
Tabela 3.1 – Valores de velocidade de escoamento (v), altura da lâmina d’água (h) e tensão
cisalhante hidráulica (τh) para combinações de vazão (Q) e inclinação de rampa (i).
i 10º 26º 45º 54º
Q (l/min) 3 6 3 6 3 6 3 6
v (cm/s) 31,03 50,64 57,05 96,65 77,36 145,86 83,50 169,97
h (cm) 0,064 0,079 0,035 0,041 0,026 0,027 0,024 0,024
τh (Pa) 1,136 1,393 1,710 2,018 2,585 2,742 3,297 3,239
Fonte: Bastos (1999)
O gráfico formado pelos dados da tensão hidráulica atuante τh e a perda de solo
(g/cm²/min) resulta no ajuste de uma reta, da qual são retirados dois parâmetros fundamentais
da metodologia (Figura 3.7). Um destes trata-se na taxa de erodibilidade K (g/cm²/min/Pa)
que, conceitualmente, consiste no gradiente da perda de solo em relação às tensões
hidráulicas aplicadas. O outro parâmetro obtido é a tensão cisalhante hidráulica crítica - τh
crit (Pa) – que representa a mínima tensão hidráulica, ocasionada pela lâmina d’água sobre o
solo, a partir da qual o processo de perda de solo se inicia.
Figura 3.7 – Ajuste da reta na qual são estimadas a taxa de erodibilidade (k) e a tensão
cisalhante hidráulica crítica (
hcrí).
Fonte: Bastos (1999).
Bastos (1999), em sua pesquisa, levanta uma questão muito pertinente sobre qual o
tempo é o mais adequado para execução do ensaio, assumido para o cálculo das taxas de
erosão. Uma curva típica de perda de solo por unidade de área versus tempo de ensaio é
mostrada na Figura 3.6. É possível observar nesta ilustração que, a estabilização da perda de
solo ocorre por volta dos 10 min de ensaio. Se, por ventura, fosse utilizado um valor muito
pequeno como tempo de ensaio (por exemplo: 1 min), o efeito do impacto da primeira onda
de fluxo seria o fator mais importante nos resultados e a tendência seria superestimar a
erodibilidade do solo em questão. Já, por outro lado, segundo Bastos (1999) o emprego de
um tempo muito longo para cálculo das taxas de erosão, amostras de solos muito erodíveis
descaracterizam-se durante o ensaio e tem seus resultados afetados pela substancial alteração
na regularidade do fluxo superficial sobre a amostra. Diante disso, 10 min foi o tempo padrão
adotado para o cálculo das taxas de erosão dos solos, visando obter a melhor caracterização
do processo erosivo.
Os valores de taxa de erodibilidade K resultantes permitem avaliação comparativa
dos solos estudados quanto à susceptibilidade à erosão. Já os valores de tensão hidráulica
crítica são, também, representativos, porém Bastos (1999) faz um alerta ao afirmar que as
simplificações na estimativa das tensões hidráulicas através de cálculos ocasiona maior
dispersão nos resultados deste parâmetro. É devido a isto, segundo o autor, que em várias
amostras o intercepto da reta ajustada com o eixo das tensões resulta negativo e,
consequentemente, é considerado como indeterminado. Esta indeterminação é, assim,
denominada uma vez que um valor negativo de tensão hidráulica é uma incoerência física:
significaria dizer que o solo começa a erodir antes mesmo de ser aplicada qualquer tensão
hidráulica sobre o mesmo.
4 ÁREAS DE ESTUDO
As áreas selecionadas para este estudo estão localizadas em três regiões distintas do
estado do Rio Grande do Sul: região metropolitana de Porto Alegre/RS; município de São
Francisco de Assis/RS, na região oeste do estado; e município de Santa Maria/RS, na região
central. Os dados dos perfis da Região Metropolitana de Porto Alegre (RMPA) foram
extraídos de Bastos (1999), que estudou quatro localidades: i) o Loteamento Algarve, ii) uma
área de empréstimo na RS239, iii) o Loteamento Parque do Trabalhador; iv) e o Morro do
Osso/Cidade de Deus. Já Basso (2013) pesquisou a região oeste do RS, mais precisamente
uma voçoroca na cidade de São Francisco de Assis. No munícipio de Santa Maria/RS foram
amostrados dois locais distintos: um consiste em uma voçoroca no distrito de São Valentim –
com resultados extraídos de Fernandes (2011), e um talude de um corte de estrada, localizado
dentro do campus da UFSM. O autor participou como bolsista de iniciação científica em
diversos trabalhos, e neste específico participou na amostragem e realização de ensaios de
laboratório do ponto localizado dentro da Universidade Federal de Santa Maria.
No documento
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE TRANSPORTES CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
(páginas 39-48)