DETERMINAÇÃO DA CONDUTIBILIDADE HIDRÁULICA “
IN SITU
” DOS
SOLOS DA REGIÃO DO MUNICÍPIO DE SINOP-MT
DETERMINAÇÃO DA CONDUTIVIDADE “
IN SITU
” DOS SOLOS DA
REGIÃO DO MUNICÍPIO DE SINOP-MT
Projeto de Pesquisa apresentado à
Banca Examinadora do Curso de
Engenharia Civil – UNEMAT, Campus
Universitário de Sinop-MT, como
pré-requisito para obtenção do título de
Bacharel em Engenharia Civil.
Prof. Orientador:
Dr° Flavio Alessandro Crispim
LISTA DE TABELAS
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Água num permeâmetro...12
Figura 2: Esquema de um permeâmetro com carga constante...13
Figura 3: Esquema de um permeâmetro com carga variável...14
Figura 4: Esquema de Lugeon ...15
Figura 5: Permeâmetro de Guelph ...16
Figura 6: Esquema de poços de monitoramento...17
Figura 7: Local 1 e 2 solo em Sinop-MT...21
Figura 8: Local 3 solo em Sinop-MT...22
Figura 9: Local 4 solo em Santa Carmem-MT...22
Figura 10: Local 5 solo em Sorriso-MT ...23
Figura 11: Ensaio acima do nível d’água...24
1. Título:Avaliação da permeabilidade “in situ” dos solos da região de Sinop-MT.
2. Tema:Engenharia Civil.
3. Delimitação do Tema:Mecânica dos Solos.
4. Proponente(s):Rafael Lemes Bezerra
5. Orientador(a):Dr° Flavio Alessandro Crispim
6. Estabelecimento de Ensino: Universidade do Estado de Mato Grosso –
UNEMAT
7. Público Alvo:Alunos de Engenharia Civil
8. Localização: Avenida dos Ingás, nº 3001, Centro – Sinop/MT, CEP 78550-00.
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS ...I LISTA DE FIGURAS ...II DADOS DE IDENTIFICAÇÃO ...III SUMÁRIO ... IV
1 INTRODUÇÃO...7
2 PROBLEMATIZAÇÃO...8
3 JUSTIFICATIVA ...9
4 OBJETIVOS ...10
4.1 OBJETIVOGERAL: ... 10
4.2 OBJETIVOSESPECÍFICOS: ... 10
5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA...11
5.1 PERMEABILIDADE DO SOLO... 11
5.2 DETERMINAÇÃO DA PERMEABILIDADE DO SOLO... 11
5.3 MÉTODOS PARA DETERMINAR A PERMEABILIDADE DO SOLO... 13
5.3.1 Permeâmetro de carga constante ... 13
5.3.2 Permeâmetro de carga variável ... 14
5.3.3 Ensaios “In situ” ... 15
5.3.4 Métodos indiretos... 18
5.4 FATORES QUE INFLUENCIAM NA PERMEABILIDADE DO SOLO... 19
5.4.1 Típicos valores de permeabilidade do solo (k) ... 20
6 METODOLOGIA...21
6.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS...ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. 6.2 LOCAL DE ESTUDO... 21
6.3 ENSAIO DE PERMEABILIDADE“IN SITU”COM FURO DE SONDAGEM... 23
7 RECURSOS MATERIAIS ...26
8 CRONOGRAMA ...27
REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO ...28
ANEXOS ...30
ANEXO1 ... 30
1 INTRODUÇÃO
O solo é um material natural complexo, composto por grãos minerais e matéria orgânica, constituindo uma fase sólida, envolvidos por uma fase líquida: água, e uma terceira fase eventualmente presente, o ar, que preenche parte dos poros dos solos não inteiramente saturados de água. Entende-se que a condutibilidade hidráulica a capacidade de um determinado solo, sob condições normais, permitir a passagem de água (ou outro fluido) através de seus vazios.
A condutividade hidráulica é essencial para estudos que envolva movimentação da água no solo e tem grande utilidade, como na estimativa da vazão de água que percolará através do maciço de terra em barragens, aterros sanitários, em obras de drenagem, irrigação de culturas, rebaixamento do nível d’água, análise de recalques nas fundações das obras (Ex.: diminuição dos índices de vazios), rebaixamento do lençol freático, e também no estudo de estabilidade geral das massas de solo principalmente de taludes (Ex.: a tensão efetiva comanda a resistência do solo e depende da poro-pressão, esta por sua vez depende das tensões provocadas pela água). Muitos problemas de construção estão relacionados com a presença e o fluxo da água no solo, pois se as condições de transmissão da água através do perfil não são satisfatórias, a percolação da água no solo será prejudicada tendo como consequência perda da resistência de carga do solo gerando maiores custos para execução de obras.
Conhecer a condutividade hidráulica do solo é necessário para a resolução desses problemas da melhor maneira possível com menor custo possível. O coeficiente de permeabilidade pode ser determinado diretamente através de ensaios de campo e laboratório ou indiretamente, utilizando-se correlações empíricas. O mesmo pode ser obtido utilizando-se amostras deformadas ou indeformadas. Pode ser determinado em ensaios de laboratório em amostras indeformadas, como em
ensaios “in situ”.
Neste contexto, o conhecimento sobre a permeabilidade da água no solo da região do Mato Grosso é de grande importância, contribuindo de maneira geral com pesquisas relacionadas a obras de infraestrutura, novos estudos e como banco de dados, estando disponível para utilização em estudos do solo da região.
2 PROBLEMATIZAÇÃO
3
JUSTIFICATIVA
O desenvolvimento da região centro oeste vem sendo crescente, um exemplo é o município de Sinop, que segundo o IBGE na ultima década a população aumentou cerca de 60,5%, junto com o crescimento populacional, há o crescimento industrial e econômicos, assim a necessidade de estudos específicos sobre o solo da região, que por sua vez atualmente é carente de dados científicos.
A região norte do Mato Grosso é conhecida pela sua grande produção agrícola, sendo necessária a ampliação de meios de transportes, armazém, silos, em geral obras de engenharia. Sendo assim, o conhecimento geotécnico da região. torna- se importante a cada dia para conseqüente crescimento.
Na região norte do estado de Mato Grosso, apesar do crescimento populacional, e industrial, há pouco conhecimento sobre parâmetros que envolva os solos da região, com o intuito de aumentar os dados, o estudo da condutividade hidráulica do solo da região se torna importante, não só por aumentar o banco de dados, mais também por ser um dos principais índices para o auxilio na execução de obras que envolva o uso do solo.
4 OBJETIVOS
4.1 Objetivo Geral:
Esta pesquisa tem como objetivo determinar a condutividade hidráulica do solo
da região de Sinop – MT em seu estado natural realizando ensaiosin situ.
4.2 Objetivos Específicos:
• Determinar o coeficiente de condutividade hidráulica (k)in situ;
5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
5.1 Permeabilidade do solo
A água é um elemento comumente encontrado nos solos, ocupando parte ou a totalidade dos vazios presentes. Quando a água está no seu estado líquido no solo sofre ações de forças gravitacionais estando submetidas a diferenças de potenciais. Segundo Reichardt e Timm (2004, p.89) as diferenças desse potencial da água entre diferentes pontos do sistema dão origem a seu movimento. Ortigão (2007, p. 110) ainda afirma que a percolação da água no solo implica na dissipação de energia através das partículas de solo, essa dissipação faz com que as partículas entrem em contanto gerando atrito que provoca no solo uma força possibilitando a percolação de água por entre os vazios.
Segundo Das (2011, p. 143) estudar o fluxo de água no solo é o inicio para compreender a mecânica dos solos, esse conhecimento é o principio básico para estimar a quantidade de fluxo subterrâneo, estabilidades de taludes e barragens de terra sujeitas a forças de percolação sob diversas condições hidráulicas.
Pinto (2006, p.113) salienta que o estudo da percolação de água no solo determina solução de problemas práticos como: cálculo de vazões (quantidade de água que infiltra em uma escavação); análise de recalques, o recalque se relaciona com a diminuição do índice de vazios, que ocorre pela expulsão de água desses vazios; nos estudos de estabilidade do solo, essa estabilidade depende da poro pressão que está ligada as tensões provocadas pela presença da água no solo.
5.2 Determinação da permeabilidade do solo
A permeabilidade do solo é representada por (k), expressa em m.s-¹, é uma
propriedade que indica o grau de facilidade, velocidade, com que a água desloca por entre os vazios existentes no solo, expresso numericamente pelo Coeficiente de Permeabilidade. Trata-se de uma propriedade com enorme faixa de variação, sendo necessária a utilização de técnicas especificas para a sua determinação.
A permeabilidade do solo pode sofrer variações por diversos fatores inerentes ao solo. Pode-se destacar, entre eles, o tamanho das partículas, índice de vazios, a estratificação, separação em camadas, e o grau de saturação do solo. A estrutura interna é uma das características mais importantes do solo que influenciam a condutividade hidráulica, essencialmente em solos finos silte e argila.
permeâmetro (Figura 1), e é expressa pela Equação 1.
(Equação 1)
Em que:
Q=vazão (m³/s)
A= área de permeâmetro (m²)
= coeficiente de condutividade hidráulica (m/s)
h = Carga hidráulica (m)
L= Distância na qual h se dissipa (m)
Figura 1: Água num permeâmetro Fonte: Pinto (2006)
A relação h/L é igual ao gradiente hidráulico “i”, e dividindo a área (A) pela vazão (Q) obtém-se a Equação 2.
ou (Equação 2)
Em que:
v = velocidade de percolação da água (m/s)
= coeficiente de condutividade hidráulica (m/s)
velocidade de percolação da água quando o gradiente hidráulico for igual a um.
5.3 Métodos para determinar a permeabilidade do solo
Para obter esse parâmetro pode-se utilizar diferentes métodos, a seguir será apresentado algumas formas utilizadas para definir esse parâmetro.
5.3.1 Permeâmetro de carga constante
Consiste num permeâmetro (Figura 2) cuja carga “h”, é mantida constante durante o tempo de ensaio. Assim pode-se calcular a vazão d’água e conhecendo-se as características geométricas do sistema, calcula-conhecendo-se o coeficiente de permeabilidade diretamente com a Lei de Darcy, utilizando a Equação 3 (PINTO, 2006, p.115)
(Equação 3)
Em que:
Q=vazão (m³/s)
i= gradiente hidráulico (adimensional)
= área do permeâmetro (m²)
5.3.2 Permeâmetro de carga variável
Esse tipo de permeâmetro é usado em solos cujo coeficiente de permeabilidade é muito baixo (argilas). De acordo com Das (2011, p.149) “o ensaio de carga variável é mais preciso que o de carga constante quando a condutibilidade hidráulica é muito baixa”. Na (Figura 3) é apresentado um esquema deste permeâmetro. O coeficiente de condutividade hidráulico pode ser calculado pela Equação 4.
(Equação 4)
Em que:
= coeficiente de condutividade hidráulica (m/s)
a = área do tubo (m²)
L = comprimento da amostra (m)
A = área da amostra (m²)
hi=altura de água inicial (m)
hf= altura de água final (m)
t = tempo (s)
Para Mahler e Aguiar (2001, p.1), “muitos métodos para determinação do coeficiente de permeabilidade têm sido desenvolvidos e aperfeiçoados buscando redução nos erros no custo e o aperfeiçoamento”.
Alguns ensaios utilizados para determinação do índice de permeabilidade in
situ, são descritos nos parágrafos seguintes.
O ensaio de Lugeon (Figura 4) permite obter uma informação quantitativa sobre a circulação da água em rochas fissuradas, com o objetivo de julgar as possibilidades de consolidação por injeções.
Figura 4: Esquema de Lugeon Fonte: Google Imagens
Injeta-se num furo de sondagem feito por obturadores, água sob pressão constante. A pressão manométrica injetada (pm) é controlada por um manômetro e a descarga calculada por um hidrômetro, obtendo-se um volume injetado num certo intervalo de tempo. Quando (pm) for 1 MPa e a formação ensaiada absorver 1litro por minuto por metro de perfuração, a perda de água foi de uma unidade de Lugeon.
(Equação 5)
Em que:
Pe = pressão efetiva (Mpa)
Pm = pressão manométrica (Mpa)
Pc = pressão de carga na canalização (Mpa)
H = carga hidráulica (mca)
O permeâmetro de Guelph (Figura 5) é um permeâmetro de furo e de carga constante que mede a condutividade hidráulica não saturada de campo, ou seja, acima do lençol freático.
Figura 5: Permeâmetro de Guelph Fonte: Google Imagens
É composto de uma garrafa de Mariotte (garrafa de vidro) que controla a carga constante de água dentro do furo, um tubo de acrílico com uma régua graduada onde a água é introduzida e um tripé que permite adaptar o aparelho a terrenos irregulares.
radial ao longo das paredes e dois verticais na base, um de pressão e outro gravitacional. Ao considerar a variação destes fluxos ao longo da base e das paredes do furo, desenvolveu-se um método semi-analítico e numérico para a estimativa das propriedades do solo (permeabilidade saturada e não saturada, potencial matricial e o parâmetro “α”, que depende das propriedades do solo). Para a aplicação destes métodos algumas condições têm que ser consideradas: meio poroso rígido, homogêneo e isotrópico; fluxo em equilíbrio constante; domínio de fluxo em um semi-espaço infinito.
Ensaios a partir de poços são muito utilizados pela Geologia de Engenharia, a partir dele obtém-se a condutividade hidráulica saturada. Podem ser realizados tanto com carga de água constante quanto com carga de água variável e permitem trabalhar com infiltração ou bombeamento de água
Durante o ensaio a água e bombeada para fora do poço de ensaio (Figura 6), são escavados poços testemunhas, para verificar a variação de água devido o bombeamento do poço de ensaio, á varias distâncias radiais em volta do poço principal. São feitas observações até que o nível de água nos poços testemunhas mantenha alguma estabilidade (DAS 2011,p.169).
5.3.4 Métodos indiretos
O coeficiente de condutividade hidráulica também pode ser obtido por meio de ensaios de adensamento, realizados para o estudo de recalques e seu desenvolvimento ao longo do tempo. Sabendo-se a velocidade de recalque de um solo submetido a uma compressão, encontra-se a velocidade da água que sai dos vazios do solo, a qual depende do seu coeficiente de condutividade hidráulica (DIEMER 2008, p.21). sendo expressa pela Equação 6.
(Equação 6)
Em que:
av= Coeficiente de compressibilidade (adimensional)
Cv= Coeficiente de adensamento (adimensional)
= Peso especifico da água (kN/m³)
= Índice de vazios inicial (adimensional)
5.4 Fatores que influenciam na permeabilidade do solo
Segundo Lambe & Whitman (1969, p. 283) o valor da permeabilidade de um solo depende basicamente das características do fluído e do solo. A influência do fluído e do solo na permeabilidade pode ser representada pela Equação 7, deduzida por Taylor (1948) a partir da Lei de Poiseuille:
:
(Equação 7)
Em que:
= coeficiente de condutividade hidráulica de Darcy (m/s)
D = diâmetro efetivo das partículas (m)
= peso específico do fluido (kN/m³)
= viscosidade do fluido (m²/s)
= índice de vazios (adimensional)
= fator de forma (adimensional)
A equação 8 expressa à permeabilidade dos meios porosos e é conhecida como equação Kozeny-Carman.(LAMBE & WHITMAN (1974, p. 287))”:
(Equação 8)
Em que:
= Fator que depende da forma dos poros e a relação entre a longitude da trajetória real do fluxo e espessura da camada atravessada.
(1988, p.68) “o coeficiente de permeabilidade varia para diferentes solos e para um mesmo solo, depende essencialmente da temperatura e do índice de vazios”. Segundo Das (2011, p. 147) “a permeabilidade dos solos englobam vários fatores tais como: viscosidade do fluído, distribuição granulométrica, índice de vazios, rugosidade das partículas minerais e grau de saturação do solo”.
Pinto (2006, p.118), diz que “o índice de permeabilidade varia no solo de acordo com o seu grau de saturação, estrutura, temperatura, índice de vazios e viscosidade do liquido”. Em solos saturados, vazios cheios de água, o coeficiente de permeabilidade do solo é maior em relação a solos não saturados, isso ocorre porque a água não sofre resistência do ar para deslocar-se por entre os vazios.
Quanto maior for à temperatura menor será a viscosidade do fluído, portanto, mais facilmente ela se escoa pelos vazios do solo com o correspondente aumento do coeficiente de permeabilidade do solo “k”, (nota-se então que o coeficiente de permeabilidade do solo é inversamente proporcional a viscosidade do fluído.
A permeabilidade dos solos pode ser influenciada também por sua estrutura e anisotropia dependendo das disposições dos grãos em sua composição. Segundo Pinto (2006, p.119) os solos são anisotrópicos em relação a permeabilidade pelo fato de apresentar coeficientes de permeabilidade maior na direção horizontal do que na vertical, isso ocorre devido o fluxo de água no solo ter uma forte tendência de permanecer na posição horizontal.
5.4.1 Típicos valores de permeabilidade do solo (k)
Os coeficientes de permeabilidade são tanto menores quanto menores os vazios nos solos e, consequentemente, quanto menores as partículas. Para solos sedimentares alguns valores típicos de coeficiente de condutividade hidráulica são apresentados na (Tabela 1).
Tabela 1: Valores típicos de condutividade hidráulica Fonte: Pinto (2006), Adaptado.
Solos sedimentares Valores de k
Argilas Siltes Areias argilosas Areias finas Areias médias Areia grossas
< 10-9m/s
10-6 a < 10-9m/s
10-7m/s
10-5m/s
10-4m/s
6 METODOLOGIA
Esta pesquisa fundamenta-se na análise da permeabilidade para solos da dos municípios de Sinop-MT, Sorriso-MT e Santa Carmen-MT. A pesquisa se consistirá
em resultados adquiridos através ensaios “in situ”.
6.1 Local de estudo
Para a execução desse projeto serão realizados ensaios envolvendo amostras de solos dos municípios Sinop-MT, Sorriso-MT e Santa Carmen-MT, em cinco locais indicadas nas Figuras 7, 8, 9 e 10.
Figura 8: Local 3 solo em Sinop-MT Fonte: (Google Earth, 2013).
Figura 10: Local 5 solo em Sorriso-MT Fonte: (Google Earth, 2013).
Em cada um dos locais expostos acima será realizado um furo com auxílio de trado manual helicoidal. Os ensaios serão realizados a cerca de 2 metros de profundidade nestes furos.
6.2 Ensaio de permeabilidade “
in situ
” em furo de sondagem
O ensaio de condutividade hidráulica em furo de sondagens consiste na medida da vazão, representada pelo volume d’água infiltrado ou retirado durante um intervalo de tempo, em função da aplicação de diferenciais de pressão induzidas por colunas d’água, resultante da injeção ou da retirada de água no furo.
Para execução deste ensaio o nível de água permanecerá constante, alimentado por uma fonte apropriada, medindo-se o volume de água introduzido durante certo intervalo de tempo (vazão).
A elaboração de um gráfico será feita de acordo com os dados que serão lançados na abscissa, o tempo, e na ordenada o volume acumulado ou vazão. Esse gráfico permitirá a observação da estabilização da vazão, que é caracterizada por uma reta. Essa vazão será utilizada para o cálculo da permeabilidade (vazão constante).
necessária para determinação do índice.
Figura 11: Ensaio acima do nível d’água Fonte: Manual de ensaios ABGN, 1996
(Equação 9)
Em que:
= Coeficiente de condutividade hidráulica; (m/s)
Q= Vazão(m³/s)
h=Carga de água (m)
Cu=Coeficiente de condutibilidade de meios não saturados;
ábaco mostrado no (Anexo 1).
Para ensaios realizados abaixo do lençol freático (figura 13) a (Equação 10) é necessária para determinação do coeficiente de condutividade hidráulica:
Figura 12: Ensaio Abaixo nível d’água Fonte: Manual de ensaios ABGE, 1996
(Equação 10)
Em que:
= Coeficiente de condutividade hidráulica (m/s)
Q=Vazão (m³/s)
h=Carga de água (m)
Cs=Coeficiente de condutibilidade de meios saturados;
r= Raio do tubo (m)
Os custos aproximados de materiais e mão de obra para a execução dos ensaios “in situ” estão descritos na (tabela 2). Os custos para execução serão realizados com recurso próprio.
Tabela 2: Custos de insumos
Materiais Unidades Preço ( R$ )
Tubo de Pvc 75mm c/ conexões m 27,46
Tambor graduado 200L und 298,00
Cronometro und 35,00
Mangueira transparente 25 mm m 4,98
Termômetro und 50,00
Bomba d’água und 300,00
hidrômetro und 70,00
R$ 785,44
Previsão de Custos
8
CRONOGRAMA
Ano 2013
Mês Dez Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
Fundamentação Teórica x x x x x x x x x x x x
Aprovação Projeto x
Compra de Materiais x x
Construção Permeâmetro x x
Execução dos Ensaios x x x
Análise dos Resultados x x
Formatação e conclusão x x x
Correção e entrega x
Defesa x
REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO
ABGN.Associação Brasileira de Geologia de Engenharia. Boletim 04, 1996.
CAPUTO, H. P. Mecânica dos solos e suas aplicações. 6. ed. Rio de Janeiro:
LTC, 1988. V1.
CAPUTO, H. P. Mecânica dos solos e suas aplicações. 6. ed. Rio de Janeiro:
LTC, 1988. V2.
CONCIANI, W.Fundações para construção de Habitação de Interesse Social no
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DAS, B. M.Fundamentos de engenharia geotécnica. 6. ed. São Paulo: Thomson,
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