Tópicos sobre infiltração: teoria e prática aplicadas a solos tropicais
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Mecânica dos Solos Não Saturados:Na Prática da Engenharia
Fernando A. M. Marinho
Universidade de São Paulo
Outubro 2014
Sucção
Sucção
Efeito da tensão aplicada e da sucçãoAreia
wu ' )('
waa uuu
0 100Grau de Saturação (%)
Ensinode
graduação
Ensinode
graduação
?
“If you learn to think the way unsaturated soil behaves, then you will make wise engineering decisions” – Dell Fredlund
Journal of Aplied Nutrition
Aplied Osteopathy Yearbook
Journal of Aplied Physiology
Solid State Physics : Problems and Solutions
Journal of Aplied Physics
Theoretical and Applied Aspects of Health PsychologyA Practical Guide to Groundwater and Solute Transport Modeling
The Basic Practice of StatisticsCounseling the Culturally Diverse: Theory and PracticeThe Practice of Nursing Research: Conduct, Critique & UtilizationTheory and Practice of Group PsychotherapyLeadership : Theory and PracticeThe Practice of the Presence of God: With Spiritual MaximsPractice Makes Perfect: Spanish Pronouns And Prepositions
The Practice of Programming Massage Therapy: Principles and Practice
1.1
30
.00
0.0
00
ref
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nci
asao
term
oP
ráti
ca
O que há de diferente no
enfoque “não saturado”?
Princípio das tensões efetivas (validade)
Interação com o meio ambiente
• Grande parte das obras de engenharia são feitas em solos não saturados ou utilizam os solos no estado não saturado.
• Estes solos são muitas vezes interpretados como sendo “problemáticos” porque quando sujeitos a variações de grau de saturação eles expandem, colapsam, reduzem a resistência.
• Em outras palavras mudam as suas características de estado.
Drenagem
Aterro
Túnel
Princípio das tensões efetivas
Pressão Negativa - SucçãoPressão Positiva
Grau de Saturação
Princípio das tensões efetivas
wu '
'c
t
'Aumento da pressão
da água dos poros
Envoltória de Resistência de um Solo Saturado
A teoria, a prática e a previsão do comportamento
nível de água
+
wwh
Solo
-S = 100%
S = 100%
whw
hw
Perfil de pressão da água em meios porosos
-
+
Perfil de Sucção Variação Sazonal
N.A.
Zona Ativa
Bodman and Colman, 1948
Infiltração
a. Pré-construção em época seca
b. Pré-construção em época úmida
c. Pós-construção sob área coberta
d. Pós-construção acima de nível d´água suspenso
e. Perfil de Eqüilíbrio
Terzaghi et al. (1996)
Exemplos de perfis de sucções
Empirismo
Perfil
do subsolo
Investigação de campo
ModelagemComportamento
do solo
Experimentos, ensaios
e medições de campo Idealização, modelagem,
análise
John Burland
A água nos materiais porosos
• Indústria de alimentos
• Indústria farmacêutica
• Indústria de adubos
• Mineração
• Agricultura
• Engenharia Civil
• Engenharia Geotécnica
A água nos materiais porosos
A curva de retenção de água
1 10 100 1000 10000 100000
Sucção (kPa)
0
10
20
30
40
Te
or
de
Um
ida
de
(%
)
(a)
(b)
(c)
(d)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 10 100 1000 10000 100000
De
gre
e o
f S
atu
ratio
n (
%)
Matric Suction (kPa)
A HORIZON
M2A30
M2A50
P1A30
P1A50
Maranduba and Perequê-Mirim.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 10 100 1000 10000 100000
Degre
e o
f S
atu
ratio
n (
%)
Matric Suction (kPa)
C HORIZONPEREQUÊ
P1C250
P1C350
P1C400
P1C500
P1C650
P1C670
P1C750
Perequê-Mirim
Orlando et al. (2014)
A água nos materiais porosos
m.c.a
h
q (%)
(solo 1)
(solo 2)
(solo 3)
Terminal Marítimo de Ponta da Madeira
Estocagem de minério em Carajás (Brasil -PA) Carregamento de minério nos
vagões em Carajás
(boa drenagem)
Estocagem de minério em Ponta da Madeira
(acumulação de água)
Minério saturado na base do porão
Máquinas para auxiliar a descarga Perdas de minério
Carregamento do minério no Navio
em Ponta da Madeira
0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000
Sucção (kPa)
0
10
20
30
40
50
60
Vo
lum
etr
ic W
ate
r C
on
ten
t (%
)
SFCJ
Pellet
FRD
PFCJ
PFM
Solos Não Saturados na Prática
Capacidade de retenção de água
10-02
10-01
1000
1001
1002
1003
1004
1005
Sucção (kPa)
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
Vo
lum
etr
ic W
ate
r C
on
ten
t (%
)
Hydrus
SFCJ
10-02
10-01
1000
1001
1002
1003
1004
1005
Suction (kPa)
1.00x10-11
1.00x10-10
1.00x10-09
1.00x10-08
1.00x10-07
1.00x10-06
1.00x10-05
1.00x10-04
1.00x10-03
1.00x10-02
Perm
eab
ilit
y (
cm
/s)
Solos Não Saturados na Prática
Parâmetros e Modelos
Simulação
Acumulação de Água
Capacidade de retenção de água
Sem drenagem
Simulação
0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
Volumetric Water Content
0
50
100
150
200
250
300
De
pth
(cm
)
Time (days)
0
2
7
48
Column - 7days
Column - 2days
Simulação e Previsão
+Aumento do FS
Conservador
Ousado (imprudente)
Solos Não Saturados na Prática
bwa tguuc )('
t
Redução da sucção
Aumento da pressão da água dos poros
Pressão negativa da água
Pressão positiva da água
Solos Não Saturados na Prática
Aumento da sucção, aumento da resistência, diminuição da compressibilidade
Areia
Argila
Rupturas de Taludes
Rupturas de Taludes
Atuantes Forças
es ResistentForçasFS
Wsen
)tan(c ''' lFS
Wsen
)tantan)((c ''' luuFS
b
wa
1
2
3
1 2
3 4
5
6
7
8 9
0.526
1 2
3 4
5
6
7
8 9
FS <1
ConglomeradoUnit Weight 18 kN/m³Cohesion 5 kPaPhi 30
ArgilitoUnit Weight 18 kN/m³Cohesion 0 kPaPhi 15
1.5
1.0
Por que as coisa caem?Por que as coisas não caem?
chuvavento
peso
Força resistente
1 deFator peso resistenteforça a Se Segurança
Popescu (2002)
Desenvolvimento do Fator de Segurança de um Talude
Em muitos casos taludes são definidos com base na experiência local que incorpora:
• Conhecimento do solo da região• Aspectos climáticos
Fator de Segurança
Variabilidade
Observem os taludes nas estradas !
Projetado para permanecernão saturado ?
Solos Não Saturados na Prática
Escavação em areia(obra temporária)
Proteção para redução da infiltração de água
Envoltórias de ruptura para diversas sucções
Fredlund & Rahardjo. (2003)
Capacidade suporte em sapata corrida em função da sucção
Ganho de “coesão”
Curva de Retenção de Água
Pressão Negativa - SucçãoPressão Positiva
Grau de Saturação t
SucçãoPrincípio das Tensões Efetivas
Solos Não Saturados na Prática
Pressão da água dos poros+-
Desenvolvimento de pressão da água em solos compactados
Tensiômetros
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Confining Pressure (kPa)
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
Po
re W
ate
r P
res
su
re (
kP
a)
SD-4 Loading
SD-7 Loading
SD-4 Unloading
SD-7 Unloading
Marinho et al (2003)
Curva tensão versus recalque de ensaios realizados em areia argilosa com medição de sucção
Costa et al. (2003)
Aumento da sucção
Yoshida et al., 1993).
Solos Potencialmente Expansivos
Variação da pressão de expansão com o peso específico seco para solos compactados
Efeito das Condições Iniciais
Solução para Evitar a Sazonalidade
Barreira Evapotranspirativa
Barreira Convencional
PrecipitaçãoRun-off
Infiltração
Precipitação
Run-off
Infiltração
Evapo-transpiração
Barreira Evapo-Transpirativa
Modificado de Cui & Zomberg (2005)
Outras Aplicações
Aterros de resíduos sólidos
Sistema
Tradicional
cobertura
Drenagem
Barreira de Argila
(k > 10-9 m/s)
Coletor de gás
Resíduo Sólido
Solo
fino
Solo
granular
Resíduo
Sólido
Barreira CapilarBarreira
Evapotranspirativa /
Vegetativa
Solo
Fundação
Resíduo
Sólido
Usar os aspectos climáticos associados com
características de retenção de água dos
materiais porosoas (solos e resíduos)• Minimizar Infiltrações (Controlar a
entrada de água)
• Isolar o Resíduo (minerãção ou RSU)
• Controlar a saída de gás
Definição do problema
A visão do problema é sempre baseada na mecânica dos
solos clássica
(É necessário o conhecimento!)
Medição do estado de tensão
A determinação da sucção pode ser uma tarefa difícil
(Será que precisamos sempre da sucção?)
Ensaios para obtenção de parâmetros
Os ensaios levam muito tempo e são muitas vezes difíceis de
analisar
(Será que escolhemos os ensaios corretospara a solução de problemas?
Dificuldades
Definição do problema
Com os aspectos relativos aos fenômenos da mecânica dos solos não
saturados em mente, pode-se facilmente(?) elaborar um cenário que
define com precisão o problema a ser analisado
Medição do estado de tensão
Existem muitas técnica que permitem medir ou inferir a sucção. O uso
da curva de retenção de água é um grande facilitador
Ensaios para obtenção de parâmetros
Cada vez mais os ensaio estão sendo simplificados e o uso da curva de
retenção tem colaborado para uma avaliação rápida de diversos
aspectos do comportamento dos solos não saturados
Análise númerica
Tem sido uma maneira rápida de se avaliar os problemas com o
enfoque: “o que acontece se?”
Facilitadores
“If you learn to think the way unsaturated soil behaves, then you will make wise engineering decisions” – Dell Fredlund
Obrigado