TÍTULO: ESTUDO DE MISTURAS DE AREIA E ARGILA (FINOS) E SUA INFLUÊNCIA NA PERMEABILIDADE.
TÍTULO:
CATEGORIA: CONCLUÍDO CATEGORIA:
ÁREA: ENGENHARIAS E ARQUITETURA ÁREA:
SUBÁREA: ENGENHARIAS SUBÁREA:
INSTITUIÇÃO: CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BARRA MANSA INSTITUIÇÃO:
AUTOR(ES): VINÍCIUS ZANCANELLI BÔSCO DE SOUZA AUTOR(ES):
ORIENTADOR(ES): FERNANDA VESCOVI GONÇALVES ORIENTADOR(ES):
1. RESUMO
O estudo dos solos em Engenharia Civil é de grande valia, uma vez que, envolvem em sua grande maioria obras de grande porte e de importância para a sociedade como, por exemplo, barragens, pavimentos rodoviários, estruturas de contenção de encostas e fundações de edifícios, sendo para todos esses casos imprescindíveis o conhecimento da permeabilidade. Este trabalho pretende determinar a porcentagem de finos que altera a permeabilidade do solo granular. O material fino utilizado neste trabalho foi retirado do Centro Universitário de Barra Mansa próximo ao laboratório de Materiais de Construção e a parcela de areia proveniente da empresa Areal do Vale, localizado na Avenida Beira-Rio, 2092, Barreira Cravo – Morada do Vale, localizado em Volta Redonda/RJ. Realizou-se ensaios de limite de liquidez (LL), Limite de plasticidade (LP), Granulometria e Permeabilidade no permeâmetro de carga variável para amostras com porcentagens entre 10%, 20%, 30% e 40% de finos. Posteriormente, efetuou-se ensaios de permeabilidade nas amostras com 22%, 24%, 26% e 28% de finos. Para amostras entre 20% e 30%, observa-se uma transição no comportamento, de areia para mistura de areia e argila. Para a amostra com porcentagens de finos maiores que 30%, apresentam características e comportamento semelhantes aos solos argilosos.
2. INTRODUÇÃO
Os solos, frequentemente encontrados na natureza e em obras de terra, são constituídos de misturas de solos argilosos e arenosos. Em virtude da variabilidade de solos naturais é preciso o conhecimento das propriedades geotécnicas de misturas de argila e areia, sabendo que os solos granulares naturais com teor de finos podem não ter o mesmo comportamento de engenharia das areias puras. Além disso, vale pontuar que a maior parte das teorias em engenharia geotécnica foram propostas e são aplicáveis a argilas puras e areias puras e não tratam de problemas envolvendo misturas de solos, ou seja, dois ou mais tipos diferentes (CUNHA, 2012). O conhecimento da permeabilidade é muito importante em países de clima tropical e imprescindível em estudos de estabilidade de encostas, taludes, barragens, aterros, fundações e deformação em solos não saturados, relacionados ao fluxo e retenção de umidade (CONCIANI et al.1997).
A permeabilidade depende do tipo de solo, porosidade e índice de vazios e propriedades do fluido. Gonçalves (2012) apresenta a variação dos valores da
permeabilidade (Ks) com o percentual de finos (Figura 1) para o banco de dados do programa Rosetta (Schaap et al.,2001).
Figura 1: Variação dos valores Ks com a porcentagem de finos para as 554 amostras de solos do banco de dados Rosetta (Schaap et al.,2001). (Gonçalves, 2012).
Macambria (2002) analisou a influência da porcentagem de argila no solo, o índice de plasticidade entre outros fatores na permeabilidade e concluiu que há uma tendência de decréscimo da permeabilidade com o aumento da porcentagem de argila.
Pesquisas apontam que a partir de um percentual de finos a mistura começa a se comportar conforme a propriedade da matriz argilosa. No entanto, essa porcentagem não está completamente definida e necessita-se de mais estudos.
3. OBJETIVO
Este artigo pretende analisar experimentalmente a influência do teor de finos na permeabilidade de solos granulares. Pretende-se determinar a porcentagem de finos em que ocorre a transição de comportamento de solos granulares para coesivos em função da permeabilidade.
4. METODOLOGIA
O material fino utilizado neste trabalho foi retirado do Centro Universitário de Barra Mansa, unidade Cicuta, próximo ao laboratório de Materiais de Construção e a parcela de areia proveniente da empresa Areal do Vale, localizado na Avenida Beira-Rio, 2092, Barreira Cravo - Morada Vale localizado em Volta Redonda/RJ.
Para a montagem das amostras, estabeleceu-se porcentagens de finos baseando-se na literatura. Assim, montou-se amostras com porcentagens entre 10%, 20%, 30% e 40% de finos e realizou-se os ensaios de limite de liquidez (LL) conforme a norma NBR 6459/84, Limite de plasticidade (LP) segundo a norma NBR 7180/84, Granulometria (NBR7181/88) e Permeabilidade (NBR 14545/2000). Após essa análise, realizou-se ensaios de permeabilidade para amostras com 22%, 24%, 26% e 28% de finos no permeâmetro de carga variável (Figura 2).
Figura 2: Disposição da metodologia do trabalho
5. DESENVOLVIMENTO
5.1 ENSAIOS DE PENEIRAMENTO
Neste trabalho utilizou-se apenas o ensaio de peneiramento, uma vez que, classificou-se como finos todo o material que passa na peneira nº 200 (# 0,075mm).
Realizou-se a secagem dos solos e retirada de material orgânico, como folhas e galhos de árvores. A secagem foi realizada por meio de estufa a 180 °C. O peneiramento utilizou o conjunto de peneiras com as malhas 4,75mm, 2,36 mm, 2,00 mm, 1,18 mm, 0,6 mm, 0,425 mm, 0,297 mm, 0,15 mm e 0,075 mm. Após a realização do ensaio Peneiramento dos solos, obteve-se várias frações granulométricas do solo e assim, montou-se as amostras para realização dos demais ensaios.
Separou-se 500g de areia acrescentando a porcentagem de finos, variando-se em frações de 10%, 20%, 22%, 24%, 26% e 28% ,30% e 40% para realização dos ensaios de Limite de Plasticidade e Limite de Liquidez.
5.2 ENSAIOS DE PLASTICIDADE E LIQUIDEZ
O ensaio de plasticidade iniciou-se com a separação de cerca de 200g da amostra de solo, acrescendo água e realizando a homogeneização. Após a completa homogeneização, dispôs-se a amostra sobre a placa de vidro fosca. O
procedimento se resume em fazer com que a amostra analisada fique do mesmo tamanho de um gabarito circular de vidro e verificar, a formação de fissuras na amostra. Posteriormente retirou-se uma fração da amostra para estabelecer o peso úmido e seco.
O ensaio para a determinação do limite de liquidez foi executado para determinar a transição que o solo apresenta do estado líquido para o plástico. Para a realização do ensaio, colocou-se o material em um vasilhame e acrescentou-se água, realizando a homogeneização conforme a norma NBR-6459/1984. Inseriu a amostra no aparelho Casagrande, em seguida, realizou-se a contagem dos golpes. Este processo foi repetido 4 vezes sendo possível determinar o limite de liquidez das porcentagens dos solos estudados.
5.3 ENSAIO DE PERMEABILIDADE
O ensaio fundamenta-se na lei de Darcy, pressupondo, portanto, a existência de proporcionalidade direta entre as velocidades de fluxo e gradientes hidráulicos. Admite-se adicionalmente a continuidade do escoamento, sem variações de volume do solo, durante o ensaio e a saturação total do corpo de prova (NBR 14545/2000). Utilizou-se o método B e a equação 1 apresenta o método de cálculo do coeficiente de permeabilidade .
(1)
6. RESULTADOS
6.1 ENSAIO DE PENEIRAMENTO
A Figura 3 apresenta a curva granulométrica do solo natural, da areia e dos solos artificiais com 10, 20, 30,40% de finos.
As curvas encontradas apontam-se de forma coerente. Para a areia, percebe-se que não contém porcentagem passante n°200, verificando a não existência finos e, pode ser classificada como bem graduada.
O ensaio de peneiramento do solo natural resultou em 53% de areia e 47% de finos, classificando-se segundo o sistema unificado, como uma areia argilosa (SC). Os solos artificiais (as amostras) possuem granulometria conforme estabelecida variando de 10 a 40% de finos.
Figura 3: Curva granulométrica do solo natural, areia, solos artificiais com 10, 20,30 e 40% de finos.
6.2 ENSAIO DE PLASTICIDADE E LIQUIDEZ
Para as amostras de 10% de finos e 90% de areia e 20% de finos e 80%, não se conseguiu efetuar o experimento. Observou-se que a areia tende a controlar o comportamento do solo, caracterizando-o como um solo não coesivo. Mesmo assim retirou-se uma amostra para encontrar a umidade do material. Para as amostras com finos acima de 20% ocorre uma melhora de suas características quanto à plasticidade, sendo possível a realização correta do ensaio (Figura 5).
Os resultados do ensaio de Limite de Liquidez (Figura 4) apresentam comportamento do solo com aumento da porcentagem de finos. A variação do limite de liquidez entre as amostras de 10% a 20% de finos é de 16,6%. Para as amostras de 20% e 30% de fino, essa variação é de 85,7%. Ao comparar as amostras com 30% e 40% finos, a variação é cerca de 15,38%. Assim, verifica-se aumento brusco da umidade entre 20 a 30% de finos em que se sugere alteração do comportamento das características deste solo.
0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 0,01 0,1 1 10 % p assant e mm
Figura 4: Variação das amostras de 10%, 20%, 30% e 40% finos em relação à umidade.
Figura 5: Demonstração do comportamento das misturas no ensaio de limite de plasticidade. .
6.3 PERMEABILIDADE
A Figura 6 apresenta o gráfico de permeabilidade para as amostras com 10%, 20%, 30% e 40% de finos utilizados neste trabalho.
A permeabilidade para a amostra com 10% de finos foi de 4,0x10-3 cm/s resultado característico para solos arenosos. Assim, com os resultados anteriores de granulometria, plasticidade e liquidez, acrescido do resultado da permeabilidade, sugere-se que a matriz do solo possui as características de solos arenosos, com pouca influência das partículas argilosas.
Para amostra com 20% de finos a permeabilidade encontrada foi de 1,7x10-3 cm/s. Segundo Caputo (2015), areia muito finas, silte, mistura de ambos e argila apresentam permeabilidade semelhante.
R² = 0,0279 R² = 0,9368 R² = 0,9168 R² = 0,964 R² = 0,9964 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 10 40 Um id ad e (% ) Número de Golpes 10% finos 20% finos 30% finos 40% finos 0% 5% 10% 15% 0 10 20 30 40 50 u m id ad e Porcentagens de finos %
Figura 6: Relação entre Permeabilidade média e Teor de finos.
Para amostras com 30% de finos, encontrou-se permeabilidade de 8,0x10-6cm/s.. Observa-se uma variação significativa do valor da permeabilidade quando comparada à amostra com 20% de finos. Este resultado sugere, segundo Caputo (2015), que o comportamento da amostra se aproxima do limite entre a classificação de “areias muito finas, silte, mistura de ambos e argilas”. Ao considerar também os resultados de Limite de Liquidez e Plasticidade, observa-se uma maior influência dos finos na permeabilidade do solo com 30% de finos.
Para a amostra de 40%, resultou-se que o coeficiente k é de 8x10-7cm/s e, segundo classificação apresentado por Caputo (2015), valor característico de solo argiloso.
Observa-se, portanto, uma tendência de mudança do comportamento do solo entre as faixas de 20% e 30% de finos. Este processo pode ocorrer devido ao solo fino ocupar os vazios do solo arenoso, podendo a permeabilidade do solo ser definida pela argila. Assim, realizou-se o estudo de forma a analisar especificamente a faixa contida entre 20% e 30% de finos. Para isto, separaram-se amostras com 22%, 24%, 26% e 28% de finos, com a intenção de obter informações mais claras em relação à mudança da permeabilidade. A figura 7 apresenta esses resultados. Segundo Caputo (2015), a partir de 22%, em que o resultado obtido é da ordem de 10-5 cm/s, encontra-se na faixa de mistura, no entanto, para Terzaghi e Peck (1967) pode ser classificado com um solo de baixa permeabilidade. Para as amostras de
0,000E+00 5,000E-04 1,000E-03 1,500E-03 2,000E-03 2,500E-03 3,000E-03 3,500E-03 4,000E-03 4,500E-03 0% 10% 20% 30% 40% 50% K (c m /s) % deFinos
24%, 26% e 28%, o resultado obtido é da ordem de 10-6 cm/s, que segundo Caputo (2015), classifica-se na faixa transição.
Figura 7: Comportamento das misturas em relação às porcentagens de finos estudadas.
Terzaghi e Peck (1967) classificariam como um solo de permeabilidade muito baixa. Portando observa-se que acima de 22% de finos há uma mudança significativa no comportamento da permeabilidade. Apesar do solo ser identificado, pelo sistema unificado, como areia, nota-se que o comportamento se assemelha ao de um solo argiloso. No entanto, ressalta-se a importância de realização de novos ensaios para a faixa estudada e recomenda-se analisar outras faixas complementares de modo a obter uma análise mais detalhada do comportamento das características e propriedades do solo.
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O presente trabalho analisou experimentalmente a relação entre permeabilidade e teor de finos. Diante dos resultados apresentados, sugere-se que para as amostras com a porcentagem de até 20% de finos, comportamento da matriz de solo é semelhante à de um solo arenoso. Para a amostra com porcentagens de finos maiores que 30%, apresentam características e comportamento semelhantes aos solos argilosos.
1,000E-06 1,000E-05 1,000E-04 20% 22% 24% 26% 28% 30% k (c m /s) % de finos 22% 24% 26% 28%
Para amostras entre 20% e 30%, observa-se uma transição no comportamento, de areia para mistura de areia e argila, verificando-se que a partir de 22% finos há uma alteração de 10-1 cm/s na permeabilidade em relação à amostra de 24% de finos. A partir da amostra com 24% de finos a permeabilidade só altera significativamente para a amostra com 40% de finos.
Os resultados tendem a convergir aos encontrados na literatura. No entanto, ressalta-se a importância de realização de novos ensaios para a faixa estudada e recomenda-se analisar outras faixas complementares de modo a obter uma análise mais detalhada do comportamento das características e propriedades do solo.
8. FONTES CONSULTADAS
Associação Brasileira de Normas Técnicas. (1984). Solo - Determinação do limite de liquidez - NBR 6459. Rio de Janeiro.
Associação Brasileira de Normas Técnicas. (1984). Determinação do limite de plasticidade: NBR 7180. Rio de Janeiro.
Associação Brasileira de Normas Técnicas. (1986).Preparação de amostras de solo para ensaio de compactação e ensaios de caracterização. NBR6457. Rio de Janeiro
Associação Brasileira de Normas Técnicas. (1988). Solo - Análise Granulométrica. NBR7181 Rio de Janeiro.
Associação Brasileira de Normas Técnicas. (2000). Solo – Determinação do coeficiente de permeabilidade de solos argilosos a carga variável. NBR 14545. Rio de Janeiro.
Caputo, P.H. (2015) Mecânica dos solos e suas aplicações. Fundamentos, 6 dição, volume 1. Rio de janeiro.
Conciani, W.; Carneiro, B.J.; Soares, M.M.; Hermann, P.S.P.; Crestana, S. Emprego de TDR com sondas multi-hastes segmentadas para medida de umidade de um perfil de solo. In: Simpósio Nacional de Instrumentação Agropecuária, 1, 1997, São Carlos, Anais... São Carlos: EMBRAPA-CNPDIA, 1997. p.169-173.
Macambria, I. Q. (2002). Comportamento hidráulico de alguns solos lateriticos para uso como barreiras impermeável. Dissertação de Mestrado Escola de Engenharia de São Carlos- SP 117p.
Terzaghi, K., and Peck, R.B. Soil Mechanics in Engineering Practice, Second Edition: John Wiley & Sons, New York, 729 p. 1967.