Caracterização de uma Área para Disposição de Resíduos Sólidos: Determinação da Condutividade Hidráulica e Capacidade de Infiltração In Situ

Caracterização de uma Área para Disposição de Resíduos Sólidos:

Determinação da Condutividade Hidráulica e Capacidade de

Infiltração In Situ

Juliano T. Carvalho, Juliane dos S. Pinto e Rinaldo J. B. Pinheiro PPGEC, Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil

RESUMO: Este artigo apresenta um estudo da condutividade hidráulica (k) de solos naturais e compactados da região de Santa Maria, na área denominada Caturrita. Esta área foi pré-selecionada para instalação de um aterro sanitário. Neste local foi realizada uma investigação geológico-geotécnica detalhada (Pinto, 2005). Esta investigação teve como objetivo a identificação, classificação e caracterização dos solos através de 9 perfis de sondagem a trado. Em um perfil típico foram realizados ensaios de caracterização, análise química, raio-X e condutividade hidráulica. Entre vários ensaios de campo realizados para determinação da condutividade hidráulica recomenda-se os ensaios com piezômetro escavados pela sua simplicidade e eficiência.

PALAVRAS CHAVE: Condutividade Hidráulica, Ensaios in Situ, Disposição de Resíduos.

1 INTRODUÇÃO

A principal propriedade do solo que controla o processo de infiltração é a condutividade hidráulica (k). O coeficiente de condutividade hidráulica indica a velocidade de percolação de água que se desloca nos vazios do solo. Esta percolação muitas vezes é prejudicial, pois causa vários problemas em obras de engenharia como: erosão interna em taludes, entubamento em barragens de terra, instabilidade em escavações e contaminação do lençol freático por líquidos poluentes.

A condutividade hidráulica é determinada por meio de ensaios, que podem ser realizados em laboratório ou em campo. A escolha do ensaio de campo ou laboratório depende das características da obra, dos recursos financeiros disponíveis e das características do solo a ser ensaiado.

2 ÁREA ESTUDADA

Os estudos foram desenvolvidos em uma área pré-selecionada como local de disposição de resíduos sólidos na região de Santa Maria – RS. O estudo tem como finalidade caracterizar esta área e verificar as suas condições para implementação de um aterro sanitário

Esta área denominada de Caturrita apresentou características que satisfazem os critérios de instalação, pois o local apresenta

uma área superior 10 hectares, com baixa densidade populacional e apresenta vetor mínimo de crescimento populacional. Sua distância média em relação à área urbana é de 10km e possui direção de vento predominantemente favorável. Neste local há uma nascente de arroio que dista mais de 200m e as condições geológicas e pedológicas são razoavelmente favoráveis (Pinto 2005).

2.1 Caracterização Geomorfológica e

Geológica

A geomorfologia local é formada por colinas suaves e solos rasos. Na região ocorre o predomínio de rochas como arenitos finos e siltitos, vermelhos a rosados com estratificação plano-horizontal. Essa seqüência litológica é característica da Formação Santa Maria. Esta área selecionada situa-se próxima ao atual local do depósito de resíduos sólidos de Santa Maria (denominado de lixão da Caturrita).

A paisagem local é representada por três colinas suaves, de topos côncavos, com pouca amplitude altimétrica, formando perfis alongados com direção leste-oeste, paralelo ao Rebordo do Planalto distante cerca de 2 km. A cota altimétrica está em 130 m.

A caracterização da área se deu através de sondagens do tipo SPT onde foram executados 9 furos de sondagem a trado para identificar, classificar e determinar as principais propriedades dos solos.

Identificou-se uma primeira camada de 50 a 90 cm de um solo superficial com matéria orgânica, de cor preta a marrom, fofo, friável e apresentando uma textura arenosa fina. A resistência à penetração do amostrador (NSPT) para esta camada foi inferior a 5 golpes. Logo abaixo se encontrou camadas de material de alteração com textura silto-argiloso ou argilo-arenoso até uma profundidade de 5m, de cor variegada, cujo NSPT varia desde 10 a 30 golpes. A partir desta profundidade ocorrerem camadas de silte argiloso vermelho ou areia fina média com NSPT superior a 30 golpes.

A caracterização do solo em laboratório através de ensaios de limites de liquidez, limites de plasticidade, massa específica dos grãos, análise granulométrica por peneiramento e sedimentação resultaram na identificação das principais propriedades das 2 camadas que constituem o perfil de solo típico da área de estudo. Foi denominado camada 1 o solo mais superficial (horizonte A pedológico) e a camada 2 solo mais profundo (horizonte C pedológico).

A Tabela 1 apresenta os resultados destes ensaios e outras propriedades importantes na identificação, classificação e caracterização geotécnica destes materiais.

Os limites de Atterberg para solos da camada 1 apresentam os seguintes valores médios de plasticidade com LL = 35%, LP = 22% e IP = 13%. A fração argila fica na ordem de 24% com atividade coloidal 0,6. Nesta camada não apareceram características expansivas, predominando uma fração areia-fina. Os solos da camada 2 apresentam média a alta plasticidade, com valores de LL = 47%, LP = 29% e IP = 18%. A fração argila é similar a anterior, cerca de 22%, com atividade coloidal de 0,8. Em sua composição granulométrica predominam as frações silte e argila. Nesta camada predominam argilo-minerais do tipo camada mista ilita-montmorilonita (I-M).

3 DETERMINAÇÃO DA

CONDUTIVI-DADE HIDRÁULICA EM CAMPO

Os ensaios in situ têm como objetivo avaliar o comportamento dos solos naturais e camadas compactadas em condições próximas àquelas de sua utilização. Apresentam como grande vantagem um volume de solo maior envolvido durante o ensaio, desta maneira, fornecem valores de condutividade hidráulica que podem incluir variações locais da estrutura, porosidade, etc. Além disto, eliminam-se os problemas na retirada de amostras indeformadas e a dificuldade de amostragem para solos arenosos.

Tabela 1. Resultados de ensaios de caracterização dos solos superficiais.

Camada 1 2

Horizonte

Pedológico B C

Cor Marrom escuro a

cinza escuro Vermelho e vermelho amarelo LL (%) 25 – 53 35 34 – 62 47 LP (%) 18 – 37 22 16 – 40 29 IP (%) 7 – 25 13 11 – 25 18 γs (g/cm3) 2,714 2,813 FA (%) 6 – 37 24 6 – 35 22 CTC (cmol/L) 9,9 - 16,0 17,2 – 49,5 MO (%) 1,3 – 2,5 0,4 – 0,7 pH 4,0 – 4,7 4,4 – 4,5 K (mg/L) 50 – 72 116 – 148

Argilo-mineral Caulinita e I-M I-M

SUCS CL, ML ,CL-ML MH, CH CL

Obs:; LL = limite de liquidez; LP = limite de plasticidade; IP = índice de plasticidade; FA = fração

argila; γs = peso específico real dos grãos; CTC =

capacidade de troca catiônica; MO = matéria orgânica; K = potássio, SUCS = sistema unificado de classificação dos solos; MH = siltes elásticos; CL = argila de baixa plasticidade; SM = areia siltosa.

3.1 Ensaios com Piezômetro Escavado

O ensaio utilizando a técnica de piezômetro consiste em executar um furo de sondagem a trado com diâmetro de 10 a 20 cm. Escava-se o solo até atingir a profundidade desejada para o ensaio, após uma camada de filtro granular de pequena espessura é inserida no fundo do furo. O tubo de água do piezômetro é introduzido no

furo, apoiando-se na camada do filtro. A folga entre a parede do furo e o trecho ranhurado é preenchido com um filtro granular normalmente de areia média. Acima do trecho ranhurado é colocada uma camada selante de 30 a 50 cm de bentonita ou calda de cimento e bentonita. Uma bureta graduada é conectada no tubo acima da superfície do solo para o auxílio na leitura do volume de água que infiltra no solo, em intervalos de tempo iguais para que sejam realizados os cálculos do coeficiente k in situ (Figura 1).

O ensaio consiste na medição do tempo de infiltração da água no solo, por um volume de água conhecido, mantendo-se a carga hidráulica constante no interior do furo (ensaio de carga constante), ou medindo o tempo necessário para que a carga hidráulica se desloque de uma altura H1 para um nível inferior H2 (ensaio de carga variável) medido na bureta graduada.

Figura 1. Esquema do ensaio de k com piezômetro escavado.

A equação básica para o cálculo da condutividade hidráulica (k) a partir dos resultados dos ensaios com piezômetros, foi apresentada por Hvorslev (1951) apud Bortoli (1999). Esta equação leva em consideração a relação entre a carga hidráulica aplicada no interior do furo e a vazão medida durante o ensaio, além do fator de forma da ponteira (F). Esse fator F é uma função da geometria do piezômetro e do tipo do ensaio (carga constante

ou variável). A equação supõe que o solo seja homogêneo e isotrópico. Para uma vazão Q (estabilizada) no piezômetro, sob uma carga hidráulica constante H, Hvorslev (1951) apud Bortoli (1999) propôs a utilização da Equação (1):

FH Q

k = (1)

Para o ensaio realizado com carga hidráulica variável, Hvorslev (1951) apresenta a Equação (2):

(

)

O fator de forma F tornou-se objeto de discussões na literatura geotécnica, sendo que vários autores (Hvorslev, 1951; Wilkinson, 1968; Brandt e Premchitt, 1980), segundo Bortoli, 1999, propuseram formulações para a sua obtenção. Na equação (3) foi introduzido o parâmetro “m” que quantifica as diferenças entre as diversas modificações propostas para o fator F: ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + + = 2 1 ln 2 D L m D L m L m F π (3)

onde: L = altura do filtro granular e D = diâmetro do filtro granular.

As equações desenvolvidas por Hvorslev para interpretação de ensaios com piezômetros correspondiam à condição de solo abaixo do nível d’água. A utilização para o solo não saturado foi sugerida por Daniel (1989), considerando H como a diferença de altura entre o nível d’água dentro do piezômetro e a metade da altura do filtro. Além disto, não se Ponteira (tubo PVC ranhurado) Tubo PVC φ 32 mm ou 40 mm Sistema de leitura volumétrica (bureta Solo natural recompactado tem função apenas de Selo de Filtro de areia

considerou a influência da sucção do solo no gradiente hidráulico.

Os ensaios com piezômetro para a determinação do coeficiente de condutividade hidráulica (k) na área da Caturrita, foram realizados com o auxílio de um trado manual. Os furos foram executados com diâmetro de 50 mm e a altura do filtro de 300mm. Foram feitos quatro ensaios, dois para cada camada de solo identificada na área. O ensaio realizado na camada 1 (superficial) variou de 0,50m a 0,60m de profundidade. Já o ensaio na camada 2 (mais profunda) ficou entre 1,50m a 1,70m de profundidade. Os resultados são apresentados na Tabela 2.

Tabela 2. Resultados dos ensaios com piezômetro. Perfil Camada Profundi

dade (m) Valor médio k (m/s)

P1C1 Horizonte A 0,50 1,246 x10-5 1, 284 x10-5 1,233 x10-5 P1C1 Transição Horizonte A/C 0,60 3,394 x10-7 3,282 x10-7 3,280 x10-7 P1C2 Horizonte C 1,50 2,534 x10-7 2,460 x10-7 2,462 x10-7 P1C2 Horizonte C 1,70 1,552 x10-8 1,379 x10-8

São apresentados os valores médios por camada dos coeficientes k obtidos para cada ensaio. Observa-se que nas camadas superficiais o solo é mais permeável (k ≈ 1,2 x 10-5 m/s) que a camada imediatamente inferior de textura mais siltosa (k ≈ 2,4 x 10-7 m/s a 1,4 x 10-8 m/s). Estes ensaios avaliaram a condutividade hidráulica de solos naturais, ou seja, com condições de campo preservadas (estrutura).

3.2 Ensaios com Infiltrômeto de Anel

O ensaio de infiltração ou capacidade de infiltração consiste na instalação de dois anéis metálicos concêntricos, o menor com 25 cm de diâmetro e o maior com 50 cm de diâmetro,

ambos com 30 cm de altura. Por meio de percussão, crava-se os anéis no solo até uma profundidade de 15 cm, com auxílio de uma marreta. As bordas dos anéis são biseladas, para facilitar a penetração no solo causando a menor desestruturação possível. Coloca-se um plástico no interior do anel menor, após adiciona-se água até formar uma lâmina de 3 a 5 cm acima do solo mantendo este nível de água constante com um auxílio de uma bóia.

No anel maior coloca-se de 20 a 40 litros de água mantendo o mesmo nível, com o objetivo de saturar o solo na área de influência do ensaio. A infiltração no solo é medida no anel menor através da variação do nível de água em um reservatório. Esta variação é medida em intervalos de tempo de 5, 10, 15, 20, 25, 30, 45, 60, 90 e 120 minutos. A Figura 2 apresenta uma ilustração de um ensaio em andamento.

Figura 2. Infiltrômetro de anel duplo (Trautwein e Boutwell, 1994).

A capacidade de infiltração em cada instante e a infiltração acumulada são calculadas pela equação (4):

(

)

onde: lt = capacidade de infiltração (cm/h), ∆t = variação do tempo (hora), ∆h = variação da altura da coluna d’água (cm)

Foi realizado um ensaio na camada 1 com um período de até 120 minutos, mantendo-se o nível de água constante nos anéis e determinando-se a capacidade de infiltração do solo (Figura 3). Este valor foi transformado em condutividade hidráulica, pois mediu-se a frente de saturação e considerou-se o gradiente hidráulico unitário, portanto o resultado obtido foi de 2,551 x 10-5 m/s. Este valor obtido é

similar aos valores obtidos com a técnica do piezômetro para o solo superficial. A Figura 3 apresenta a curva de infiltração para este ensaio.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 20 40 60 80 100 120 tempo(min) C a p a cida de de i n fi ltraç ão(cm/h )

Figura 3. Capacidade de infiltração medida no ensaio.

3.3 Ensaios de Infiltração em Cava (ABNT/NBR 7229/82)

A Figura 4 apresenta o esquema do ensaio de infiltração em cava. No fundo de uma trincheira executa-se uma cava de seção quadrada (30 cm de lado) com 30 cm de profundidade. Raspa-se o fundo e os lados desta cava de modo que fiquem ásperos e remove-se todo o material solto. No fundo da cava é colocada uma camada de 5 cm de brita n°. 1. No primeiro dia do ensaio, matem-se a cava cheia de água durante 4 horas. No dia seguinte, enche-se a cava com água e espera-se que a mesma se infiltre totalmente. Enche-se a cava com água até uma altura de 15 cm, e mede-se o tempo necessário para o rebaixamento de 1 cm (15 cm para 14 cm). Quando este tempo for inferior a 3 minutos, refaz-se o ensaio 5 vezes, adotando o tempo da média das 5 medições. Com o tempo médio obtem-se o coeficiente de infiltração do solo (litro/m2 x dia).

Foram executados 2 ensaios de infiltração (Tabela 3) em escavações de 1 m de lado e 1 m de profundidade. Os valores médios de k situaram-se em torno 10-7 _m/s.

Tabela 3. Resultados obtidos nos ensaios de infiltração

Cava k (m/s) Descrição do solo

1 7,29 x 10-7 _{0,75 a 1,30m – silte argiloso,}

variegado, pouco plástico

2 6,72 x 10-7 _{0,7 a 1,30m – areia média,}

cinza claro, friável

Figura 4. Esquema da cava para o ensaio de infiltração.

3.4 Ensaios em Furos de Sondagem

É um ensaio de custo baixo quando comparado com o ensaio de bombeamento. Determina-se a permeabilidade de solos e rochas injetando-se água ou bombeando-se através de perfurações executadas durante a fase de investigação. Este método está sujeito a uma série de erros, tais como a falta de precisão nas medidas dos elementos geométricos, o amolgamento do solo devido à perfuração, etc. Além disso, as fórmulas deduzidas para o cálculo da permeabilidade são aplicáveis somente em casos específicos e, por isso, é necessário muito cuidado para não aplicar fórmulas a ensaios cujas condições não se enquadram nos limites estipulados para as mesmas. Os ensaios podem ser de carga variável ou de carga constante.

No ensaio de carga constante a água é acrescentada no interior do revestimento, numa quantidade suficiente para manter um nível d’água constante, geralmente na boca do revestimento. A água pode ser adicionada derramando-se de recipientes calibrados ou por bombeamento através de hidrômetro. Determina-se a quantidade de água acrescentada no revestimento a 1, 2 e 5 minutos após o inicio do ensaio e daí por diante a cada 5 minutos de intervalo: c h D Q k ⋅ ⋅ = 75 , 2 (5)

(

)

onde: hc = depende do ensaio ser realizado acima ou abaixo do nível de água (conforme Figura 5), Q = vazão constante, D = diâmetro do furo, L = distância do revestimento do fundo do furo.

Figura 5. Ensaios em furos de sondagem.

Os resultados dos ensaios realizados com carga constante (caso A) estão apresentados na Tabela 4.

Tabela 4. Resultados obtidos nos ensaios em furos de sondagem. Furo k (m/s) Descrição do solo 1 6,60 x 10-7 2 1,80 x 10-7 3 5,60 x 10-7 Camada 2 – profundidade variável de 1 a 2,5m. 4 CONCLUSÕES

A camada superficial (camada 1 – horizonte A), mais escura, com matéria orgânica, de cor marrom a cinza escuro, com uma espessura de 50 a 90cm apresentou uma textura de areia fina siltosa a argilosa, classificada como um silte arenoso a uma argila pouco plástica. A camada inferior (camada 2 – horizonte C), de cor

avermelhada, tem características de um horizonte de alteração de rochas sedimentares. A textura predominante desta camada é um silte areno-argiloso ou areia fina argilosa ou siltosa, apresentando em geral uma plasticidade média a alta.

Os ensaios de condutividade hidráulica realizados in situ apresentaram valores semelhantes entre si. O ensaio de infiltração apresentou valores de k na ordem de 10-5 m/s. Os valores encontrados são da mesma ordem de grandeza dos ensaios com piezômetros na camada 1 (superficial). A camada 2 apresentou valores de k entre 10-7 e 10-8 m/s no seu estado natural. Pelos resultados obtidos entre as diversas técnicas testadas recomenda-se a utilização de ensaios com piezômetros, pois é fácil de executar e possibilita atingir a profundidades maiores. Os materiais encontrados na área de estudo apresentam boas características para utilização em liners. Sendo que o horizonte de alteração (camada 2) apresenta na sua condição natural uma barreira geológica favorável para fundação de aterro sanitário.

REFERÊNCIAS

ABNT (1982) Construção e Instalação de Fossas Sépticas e Disposição dos Efluentes Finais. Norma Técnica NBR 7229. Associação Brasileira de Normas Técnicas, São Paulo.

Bortoli, C.R. (1999) Estudo numérico-experimental da condutividade hidráulica saturada/não saturada de um solo estruturado, Dissertação de Mestrado em Engenharia, PPGEC/UFRGS, Porto Alegre, 121p. Pinto, J.S. (2005) Estudo da condutividade hidráulica de

solos para disposição de resíduos sólidos na região de Santa Maria, Dissertação de Mestrado em Engenharia, PPGEC/UFSM, Santa Maria, 150p. Trautwein, S.J. e Boutwell, G.P. (1994) In-situ hydraulic

conductivity tests for compacted soil liners and caps, Proc. ASTM Symp. on Hydraulic Conductivity and Waste Contaminant Transport in Soil, ASTM STP 1142, San Antonio, pp.184-223.