UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE...

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

AVALIAÇÃO DA CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA NO LABORATÓRIO E NO CAMPO EM UM SOLO SILTOSO DA CENTRAL DE

TRATAMENTO DE RESÍDUOS DA CATURRITA

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

Henrique Bolacel Antunes

Santa Maria, RS, Brasil

2015

AVALIAÇÃO DA CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA NO

LABORATÓRIO E NO CAMPO EM UM SOLO SILTOSO DA

CENTRAL DE TRATAMENTO DE RESÍDUOS DA

CATURRITA

Henrique Bolacel Antunes

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Civil, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM,

RS), como requisito parcial para a obtenção do grau de Engenheiro Civil

Orientador: Prof. Dr. Rinaldo José Barbosa Pinheiro (UFSM)

Santa Maria, RS, Brasil

2015

Universidade Federal de Santa Maria Centro de Tecnologia

Curso de Engenharia Civil

A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova o trabalho de conclusão de curso


TRATAMENTO DE RESÍDUOS DA CATURRITA

elaborado por Henrique Bolacel Antunes

Como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Civil

COMISSÃO EXAMINADORA:

Rinaldo José Barbosa Pinheiro, Dr. (Presidente/Orientador)

Eduardo Rizzatti, Dr. (Avaliador, UFSM)

Prof. Fábio Pereira Rossato (Avaliador, UFSM)

Santa Maria, Janeiro de 2015.

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus por ele estar sempre ao meu lado, por me dar força e

coragem.

Aos meus pais Porfírio e Sandra pelo ensinamento de viver com dignidade,

incentivo e pela oportunidade de aprendizado.

Aos meus irmãos Gabriel e Emanoeli, pelo companheirismo e compreensão.

A Madrinha Maria Antônia mãe do coração, obrigada.

Aos meus colegas e amigos que compartilharam momentos impares durante

esses anos de graduação.

E ao Professor Orientador Rinaldo Pinheiro pelo conhecimento compartilhado.

RESUMO

Trabalho de Conclusão de Curso Curso de Engenharia Civil

Universidade Federal de Santa Maria


TRATAMENTO DE RESÍDUOS DA CATURRITA AUTOR: Henrique Bolacel Antunes

ORIENTADOR: Prof. Dr. Rinaldo José Barbosa Pinheiro Santa Maria, Janeiro de 2015.

O estudo da condutividade hidráulica de solos é uma etapa importante nas

investigações geotécnicas, visando a utilizações de solos compactados como

camadas impermeabilizantes minerais, para base e cobertura de aterros sanitários.

Este trabalho apresenta o estudo da condutividade hidráulica (k) de solos naturais,

na região onde está instalado o aterro sanitário de Santa Maria, na localidade

denominada Caturrita.

Neste local foram realizados diferentes tipos de ensaios de campo e

laboratório para determinar a condutividade hidráulica. Em laboratório foi utilizado o

permeâmetro de parede rígida tipo tubo amostrador. In situ foram relizados os

ensaios tipo furo de sondagem, piezômetro escavado e permeâmetro de Boutwell,

para avaliar as condições do solo natural.

Palavras-chave: Condutividade hidráulica. Solo natural. Ensaio in situ.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Valores típicos dos coeficientes de permeabilidade ...................... 12 Figura 2 – Modelo experimental de Darcy ........................................................ 13 Figura 3 – Resultados de ensaios de permeabilidade em solos residuais brasileiros ......................................................................................................... 15 Figura 4 – Correlação k para o mesmo solo em estados diferentes ................. 16 Figura 5 – Relação entre a viscosidade da água na temperatura do ensaio e a viscosidade a 200C ........................................................................................... 17 Figura 6 – Permeâmetros de parede rígida mais utilizados .............................. 19 Figura 7 – Permeâmetro de parede rígida tipo célula de adensamento .......... 20 Figura 8 - Permeâmetro de parede flexível ...................................................... 21 Figura 9 – Vantagens e desvantagens de permeâmetros, modificado ............. 22 Figura 10 – Permeâmetro carga constante ....................................................... 23 Figura 11 – Sistema hidráulico carga constante: a) reservatório constante, b) Variação de carga irrelevante, c) Tubo de Marriotte; modificado ...................... 25 Figura 12 – Poço de bombeamento .................................................................. 27 Figura 13 – Permeabilidade de carga variável ................................................. 28 Figura 14 – Ensaio de permeabilidade de carga constante em furo de sondagem ......................................................................................................... 28 Figura 15 – Piezômetro escavado .................................................................... 30 Figura 16 - Piezômetro cravado ....................................................................... 31 Figura 17 - Ensaio de permeabilidade de Boutwell .......................................... 32 Figura 18 – Variação de k2/k1 em função de m ................................................ 33 Figura 19 – Desenho esquemático infiltrômetro de anel .................................. 34 Figura 20 – Área de estudo, montagem dos ensaios ...................................... 36 Figura 21 – Retirada de amostras deformadas ................................................ 37 Figura 22 – Permeâmetros tipo tubo amostrador ............................................. 39 Figura 23 – Esquema montagem do Infiltrômetro de Anel .............................. 41 Figura 24 – Infiltrômetro sendo utilizado ......................................................... 41 Figura 25 – Execução do furo de sondagem .................................................. 44 Figura 26 – Medindo infiltração bureta graduada ........................................... 44 Figura 27 – Esquema de montagem piezômetro escavado ........................... 45 Figura 28 – Finalizando o piezômetro escavado ............................................ 46 Figura 29 – Piezômetro pronto para ensaio ..................................................... 47 Figura 30 – Permeâmetro de Boutwell ............................................................ 49 Figura 31 – Boutwell medindo a infiltração bureta graduada ........................... 49 Figura 32 – Variação de k2/k1 em função de m ................................................ 51 Figura 33 – Curva granulométrica do solo ........................................................ 53 Figura 34 – Gráfico da infiltração acumulada de todos os ensaios ................ 56 Figura 35 – Gráfico da permeabilidade PZ-02 ............................................... 59 Figura 36 – Classificação dos resultados de permeabilidade dos ensaios, modificado ......................................................................................................... 62

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Resultados dos ensaios de massa específica real dos grãos e limites de consistência .......................................................................................... 52 Tabela 2 – Resultados do ensaio de granulometria e classificação geotécnica .. 52 Tabela 3 – Índices físicos das amostras indeformadas ........................................ 54 Tabela 4 – Resultados da permeabilidade no ensaio do permeâmetro de parede rígida .................................................................................................................... 55 Tabela 05 – Resultados da capacidade de infiltração ......................................... 56 Tabela 6 – Resultado da permeabilidade no ensaio de furo de sondagem ........ 57 Tabela 7 – Resultados da permeabilidade no ensaio com piezômetro no campo 58 Tabela 8 – Resultados de k1 ensaio BT-01 .......................................................... 59 Tabela 9 – Resultados de k2 ensaio BT-01........................................................... 59 Tabela 10 – Resultado da permeabilidade horizontal e vertical BT-01 ................ 60 Tabela 11 - Resultados de k1 ensaio BT-02 ......................................................... 60 Tabela 12 - Resultados de k2 ensaio BT-02 ......................................................... 60 Tabela 13 - Resultado da permeabilidade horizontal e vertical BT-02 ................. 60

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 9 1.1 Justificativa ............................................................................................... 9 1.2 Objetivo ..................................................................................................... 9 1.3 Organização do trabalho ......................................................................... 10 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................... 11 2.1 Condutividade hidráulica ......................................................................... 11 2.2 Lei de Darcy .............................................................................................. 11 2.3 Fatores que influenciam a condutividade hidráulica ............................ 14 2.4 Ensaios de laboratório para determinação da condutividade hidráulica ......................................................................................................... 17 2.4.1 Permeâmetro de parede rígida ................................................................ 18 2.4.2 Permeâmetro de parede flexível .............................................................. 20 2.4.3 Comparação entre permeâmetro de parede rígida e de parede flexível . 21 2.4.4 Permeâmetros: métodos de ensaio .......................................................... 23 2.4.4.1 Ensaio de Carga constante ................................................................... 23 2.4.4.2 Ensaio de carga variável ....................................................................... 24 2.4.4.3 Ensaio com vazão constante ................................................................ 24 2.5 Ensaios de campo para determinação da condutividade hidráulica ... 25 2.5.1 Ensaio de bombeamento .......................................................................... 26 2.5.2 Ensaio de permeabilidade em furo de sondagem .................................... 27 2.5.3 Ensaio com piezômetro ............................................................................ 29 2.5.4 Ensaio com permeâmetro de Boutwell ..................................................... 31 2.5.5 Ensaio com infiltrômetro de anel .............................................................. 33 2.6 Aterro sanitário .......................................................................................... 34 2.6.1 Seleção de áreas ...................................................................................... 34 3 METODOLOGIA ............................................................................................ 36 3.1 Estudo de escritório .................................................................................. 36 3.2 Área de estudo ........................................................................................... 37 3.3 Retirada de amostras ................................................................................ 37 3.4 Ensaios de laboratório .............................................................................. 38 3.4.1 Ensaios de caracterização ....................................................................... 38 3.4.2 Ensaio de com permeâmetro de parede rígida ........................................ 38 3.5 Ensaios de Campo .................................................................................... 40 3.5.1 Ensaio com Infiltrômetro de Anel ............................................................. 40 3.5.2 Ensaio em Furo de Sondagem ................................................................ 42 3.5.3 Ensaio com Piezômetro Escavado .......................................................... 45 3.5.4 Ensaio de Boutwell .................................................................................. 48

4 RESULTADOS ............................................................................................. 52 4.1 Ensaios de caracterização / Classificação / Índices Físicos ................ 52 4.2 Ensaios de infiltração e condutividade hidráulica ................................ 55 4.2.1 Ensaio de laboratório ............................................................................... 55

4.2.2. Ensaios de campo .................................................................................. 55 4.3 Análise dos resultados ............................................................................ 61 5 CONCLUSÃO ................................................................................................ 63 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................. 64

1 INTRODUÇÃO

Na quantificação do fluxo em meio poroso, a condutividade hidráulica aparece

como variável essencial. A sua obtenção é de grande importância para qualquer

projeto de engenharia que envolva a percolação por meio poroso, como em

construções de barragens de terra, avaliação de estabilidade de taludes,

investigação da contaminação de solo, impermeabilização de base e topo de aterros

sanitários e muitos outros.

O estudo da condutividade hidráulica (permeabilidade) k de um solo para

disposição de resíduos sólidos é de grande importância, pois este proporcionará a

criação de uma barreira que minimizara o fluxo de líquidos resultantes da

decomposição do lixo (chorume) no solo onde os resíduos serão depositados, os

quais poderiam contaminar camadas inferiores do solo e também o lençol freático.

Com os resultados obtidos, realizar-se-á um estudo comparativo da

permeabilidade do solo natural disponível na área da central de tratamento de

resíduos sólidos da caturrita para ser utilizado com base impermeabilizante de

aterros sanitários.

1.1 Justificativa

A principal propriedade do solo que controla o processo de infiltração é a

condutividade hidráulica. A condutividade hidráulica está relacionada à quantidade

de líquido que se desloca nos vazios do solo. Esta percolação, muitas vezes, é

prejudicial, resultando em problemas em obras de engenharia, como erosão interna

em taludes, instabilidade em escavações e contaminação do lençol freático por

líquidos poluentes (chorume). Por isso, faz-se necessário o estudo aprofundado dos

solos para saber a sua variabilidade de aplicação nestas funções, em especial neste

caso, como camada impermeável de base e cobertura de aterros sanitários.

1.2 Objetivo

10

O objetivo deste trabalho consiste em avaliar e comparar os resultados de

diferentes métodos para estimativa da condutividade hidráulica do solo natural na

região central de resíduos sólidos da caturrita em Santa Maria.

1.3 Organização do trabalho

Este trabalho está dividido em seis capítulos, sendo que no Capítulo 1

apresenta-se a introdução, justificativa e objetivo.

O Capítulo 2 apresenta a revisão bibliográfica dos aspectos relacionados à

permeabilidade hidráulica e métodos para determinação da condutividade hidráulica

dos solos.

O Capítulo 3 apresenta a descrição experimental do estudo. Descreve os

equipamentos, instrumentação, solos e metodologias de ensaio que foram utilizadas

para determinação das características dos solos.

O Capítulo 4 indica os resultados dos ensaios para a função de condutividade

hidráulica, avaliando e discutindo comparativamente esses resultados para cada

amostra do solo analisado.

O Capítulo 5 apresenta as conclusões do estudo.

O Capítulo 6 apresenta as referências bibliográficas utilizadas.

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A revisão bibliográfica a seguir apresenta as fundamentações teóricas

necessárias para uma melhor compreensão do estudo, com o intuito de atingir o

objetivo listado anteriormente.

2.1 Condutividade hidráulica

A condutividade hidráulica é a propriedade que o solo apresenta de permitir o

escoamento da água através dele, sendo o grau de permeabilidade expresso

numericamente pelo coeficiente de permeabilidade (CAPUTO,1996).

O coeficiente de permeabilidade (k) de um solo representa esse escoamento

de água pelos poros. Quanto maior o coeficiente de permeabilidade do solo maior

também será a facilidade da água infiltrar-se por este solo.

A água livre escoa entre os grãos. Se esta estiver sujeita a um potencial

hidráulico, haverá o fenômeno do escoamento da água através do solo

(VARGAS,1977).

Os solos são permeáveis em função da existência de vazios interconectados

pelos quais a água pode fluir de pontos de alta energia para pontos de baixa energia

(DAS, 2007).

A estimativa do valor da permeabilidade é necessária em algumas obras de

engenharia, sendo essencial na estimativa da vazão que percolará pelo meio do

maciço poroso e da fundação em barragens de terra, em obras de drenagem,

rebaixamento do nível d’água, adensamento, base de aterro sanitário, etc. Sendo

assim, os principais problemas de construção estão conexos com a presença da

água. O conhecimento da permeabilidade e de sua variação é fundamental para a

solução desses problemas.

A Figura 1 apresenta valores típicos do coeficiente de permeabilidade em

função dos materiais (solos argilosos, siltosos), classificando os solos como

permeáveis e impermeáveis (PINTO, 2002).

12

Figura 1 – Valores típicos dos coeficientes de permeabilidade Fonte: Pinto (2002)

A definição de coeficiente de permeabilidade ou condutividade hidráulica do

solo é baseada na lei experimental publicada em 1856 pelo engenheiro francês

Henry Darcy. O autor descreve e mostra resultados dos experimentos que o levaram

a formular a lei de Darcy.

2.2 Lei de Darcy

Experimentalmente, Darcy, em 1850, verificou como os diversos fatores

geométricos influenciavam a vazão da água, expressando a equação que ficou

conhecida pelo seu nome (PINTO, 2002).

Esta lei serviu de base para determinação de fluxo em meio poroso. Neste

estudo, Darcy utilizou um experimento conforme indicado na Figura 2, no qual era

imposta uma carga hidráulica de diferença h e medido o fluxo de água através da

amostra de areia. Este experimento verificou que a vazão da água é expressa pela

Equação 1.

(1)

13

Onde a condutividade hidráulica k de uma amostra de solo com comprimento

L e seção transversal A. Observa-se que a percolação de água ocorre devido à

diferença de carga hidráulica h entre os níveis dos reservatórios.

Figura 2 – Modelo experimental de Darcy

Os resultados comprovaram que a velocidade de percolação v = Q/A é

proporcional ao gradiente hidráulico i = h/L, sendo este a relação da carga hidráulica

dissipada da percolação “h” com a distância ao longo da qual a carga se dissipa “L”.

Assim a Lei de Darcy pode ser escrita na forma da Equação 02.

(2)

A Lei de Darcy é válida para escoamento tipo laminar, como deve ser

considerado o escoamento na maioria dos solos naturais.

Um escoamento se define laminar quando as trajetórias das partículas d’água

não se cortam; em caso contrário, denomina-se turbulento (CAPUTO, 1996).

A Engenharia não se interessa por como se processa o escoamento através dos poros, mas sim pelo fluxo resultante do escoamento através de um elemento de solo, cujo volume seja suficientemente grande para representar a totalidade do solo. Assim, vale a lei de Darcy, cujo campo de validade estará de um lado, nos pedregulhos cujos grãos, sendo de grande diâmetro, exigem velocidades de pequena percolação para não haver turbulência. De outro lado, nas argilas, pelo aparecimento de pressões capilares, devido ao

14

fato dos pequeníssimos diâmetros dos canalículos, resultará a imobilização da água intersticial. Deve-se ter, entretanto, sempre presente, que a velocidade v, da fórmula de Darcy, é uma velocidade virtual como se a vazão total Q atravessasse a totalidade da seção transversal A do canal de fluxo (VARGAS, 1977, p.115, 116).

2.3 Fatores que influenciam a condutividade hidráulica

São vários os elementos que exercem influência sobre o coeficiente de

permeabilidade do solo. Serão expostos os principais elementos.

Granulometria e tamanho das partículas - A granulometria das partículas

que constituem os solos tem importância no valor do coeficiente de condutividade

hidráulica. Em solos de maior granulometria, que não apresentam finos na sua

constituição, ou seja, constituídos de partículas com diâmetro superiores a 2mm

(pedregulho), o valor do k é superior a 0,01cm/s. Neste mesmo contexto,

comparando-se com solos finos, que são aqueles com partículas de diâmetro inferior

a 0,075mm (silte e argila), os valores do k são muito inferiores a 0,01cm/s.

Composição mineralógica - A primazia de alguns tipos de minerais na

formação dos solos influencia muito a permeabilidade. Argilas moles, que são

constituídas principalmente de argilo-minerais (caulinitas, ilitas e montmorilonitas),

apresentam valores muito baixos de k, que variam entre 10-7 cm/s a 10-8 cm/s. No

caso de solos arenosos, cascalhentos sem finos, ou seja, constituídos de minerais

silicosos (quartzo), o valor do k está na ordem de 1,0 cm/s a 0,01cm/s.

Estrutura – É como as partículas se ordenam entre si. Nas argilas, a

estrutura se apresenta de maneira isolada ou em grupo. Neste caso agem forças de

natureza capilar e molecular e estas dependem do formato das partículas. Nas

areias, o arranjo estrutural é simplificado, com estas formando canalículos,

interconectados por onde flui a água com facilidade.

Índice de vazios - A condutividade hidráulica está associada ao índice de

vazios e, portanto, com a porosidade. Quando mais porosidade apresentar o solo

maior será o índice de vazios e, em decorrência, disto mais permeável será.

Constata-se este comportamento na Figura 3 para solos residuais brasileiros

(VARGAS, 1977).

15

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,0E-11 1,0E-10 1,0E-09 1,0E-08 1,0E-07 1,0E-06 1,0E-05

PERMEABILIDADE - m/s

ÍND

ICE

DE

VA

ZIO

S -

e

BASALTO; LL = 60 , IP = 40

GNAISSE; LL = 80 , IP = 39

ARENITO; LL = 25 , IP = 13

GNAISSE; LL = 53 , IP = 23

ARENITO; LL =28 , IP = 12

ARENITO; LL =28 , IP = 12

COLÚVIO (BASALTO); LL = 50 , IP = 16

Figura 3 – Resultados de ensaios de permeabilidade em solos residuais brasileiros Fonte: Vargas (1977)

Fluído – O tipo de fluido que se encontra nos poros do solo em geral é água

com ou sem gases dissolvidos. A dificuldade de percolação está relacionada com a

viscosidade (µ) do fluído, pois quanto mais viscoso o fluido maior será a dificuldade

para percolar nos poros do solo, sendo que a viscosidade varia com a temperatura.

Macroestrutura e microestrutura – O valor de k é influenciado por esses

aspectos.

A macroestrutura inclui todos os aspectos observados a olho nu, como a estratificação, descontinuidades, fissuras, poros, presença de rocha sã ou levemente intemperizada e outros aspectos inerentes à rocha mãe. A microestrutura inclui a textura, o cimento ou ligante interpartículas, agregação de partículas, tamanho e forma dos vazios, etc. (GUSMÃO FILHO, 2008, p.23-24).

Vargas (1977) mostra resultados de k em solos residuais brasileiros

apresentando a influência da estrutura nesses resultados (Figura 4).

16

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

1,0E-11 1,0E-10 1,0E-09 1,0E-08

PERMEABILIDADE - m/s

ÍND

ICE

DE

VA

ZIO

S -

e

ESTADO NATURAL "POROSO"

AMOLGADO (w = LL)

SOLO RESIDUAL DE GNAISSE

LL = 80 , IP = 39

COMPACTADO(NA UMIDADE ÓTIMA)

Figura 4 – Correlação k para o mesmo solo em estados diferentes Fonte: Vargas (1977).

Temperatura – A condutividade hidráulica depende da temperatura, pois

quanto maior for a temperatura do liquido permeante menor será seu peso

específico e viscosidade. Se o fluído for água, o valor k se altera aproximadamente

3% para cada grau de variação na temperatura (DANIEL, 1994). As correções dos

efeitos da temperatura devem ser realizadas. De acordo com a NBR 14545, deve-se

corrigir a temperatura para o valor de 20oC pela Equação 3.

(3)

Onde:

k20 = coeficiente de permeabilidade a 20°C, em cm/s

RT = é a relação entre a viscosidade da água na temperatura do ensaio e a

viscosidade da água a 20oC (Figura 5)

17

Figura 5 – Relação entre a viscosidade da água na temperatura do ensaio e a viscosidade a 200C Fonte NBR 14545/84

2.4 Ensaios de laboratório para determinação da condutividade hidráulica

Para determinação da condutividade hidráulica dos solos em laboratório

podem ser utilizados dois tipos de equipamentos, os permeâmetros de parede rígida

e os de parede flexível. Os ensaios de laboratório são mais utilizados na fase de

projeto, devido ao baixo custo, se comparados com os ensaios de campo, sendo

eles utilizados para seleção de materiais para obras que necessitem de fundações

impermeáveis.

Os ensaios de laboratório são realizados em células chamadas de permeâmetros, sendo que no seu interior é colocado o corpo de prova para execução do ensaio. Em função do método de execução, os ensaios podem ser denominados; ensaio de carga constante, ensaio de carga variável e ensaio com vazão constante (PINHEIRO e SOARES, 2006, p. 78).

18

2.4.1 Permeâmetro de parede rígida

Permeâmetro de parede rígida é composto de um corpo de prova cilíndrico

contido em uma caixa ou tubo rígido, no qual a percolação ocorre ao longo do eixo.

O permeâmetro de parede rígida é constituído por tubo metálico, plástico ou vidro (quando o chorume for o líquido percolante), onde é colocado o corpo de prova para o ensaio. Esse tipo de permeâmetro não se utiliza em ensaios com solos de baixa permeabilidade, pois há a possibilidade de fluxo lateral entre o corpo de prova e o molde, neste caso podem ser ensaiados de acordo com a NBR 13292/95. Os permeâmetros de parede rígida mais utilizados são do tipo: molde de compactação, tubo amostrador e célula de adensamento (PINHEIRO e SOARES, 2006, p. 78).

a) Permeâmetro do tipo molde de compactação

Para o ensaio de permeâmetro tipo molde de compactação utilizam-se corpos

de prova compactados. Um cilindro contém o corpo de prova que é fixo entre duas

placas, suas extremidades são vedadas com anéis de borracha e em ambas as

bases são colocados materiais drenantes.

Em geral estes permeâmetros utilizam corpos de prova compactados, porém a NBR 14545/00 descreve um tipo de ensaio onde são executadas uma vedação com argila plástica (bentonita) nas laterais do corpo de prova. Neste caso o corpo de prova pode ser compactado ou natural. A bentonita terá como função o selamento anelar evitando o fluxo de água pelas laterais (PINHEIRO e SOARES, 2006, p. 78).

Daniel (1994) expõe este tipo de equipamento. A Figura 5 mostra os três tipos

mais utilizados.

19

Figura 6 – Permeâmetros de parede rígida mais utilizados

b) Permeâmetro do tipo tubo amostrador

O permeâmetro do tipo tubo amostrador é formado de um tubo que coleta

amostras indeformadas em campo. O tubo pode ser cortado em laboratório e fixo

entre duas placas, o liquido é percolado diretamente no interior do tubo através do

corpo de prova. Daniel (1994), afirma que existe a possibilidade de no ensaio a

amostra apresentar fluxo lateral, principalmente se for constituída de solos muito

rígidos ou contendo materiais granulares. Também foi constatado que podem

ocorrer danos na amostra, quando em sua coleta, devido à cravação, perturbar a

estrutura do solo ou em sua retirada.

c) Permeâmetro do tipo célula de adensamento

O ensaio com o permeâmetro tipo tubo célula de adensamento é constituído

por uma célula, conforme a Figura 7. Neste ensaio, além da determinação da

condutividade hidráulica, da tensão vertical efetiva inicial (σ’v0) e do índice de vazios

(e0), também pode ser determinada a variação de k com o aumento da tensão

vertical efetiva, em função do índice de vazios da amostra.

20

Figura 7 – Permeâmetro de parede rígida tipo célula de adensamento Fonte: Daniel (1994)

A seguir, apresentam-se as principais vantagens e desvantagens dos

permeâmetros de parede rígida.

Em geral os permeâmetros de parede rígida apresentam como vantagens: (a) simplicidade de construção, operação e baixo custo da célula; (b) amostras com dimensões maiores podem ser ensaiadas; (c) podem ser aplicadas as tensões verticais nulas se desejado. As principais desvantagens que estes permeâmetros apresentam são: (a) problemas de fluxo lateral nas amostras; (b) não há controle da tensão horizontal; (c) não é possível confirmar o grau de saturação pelo parâmetro B; (d) não é possível obter a saturação por contrapressão; (e) necessita-se de um grande tempo para ensaiar o material de baixa condutividade hidráulica (PINHEIRO eSOARES,2006, p. 79).

2.4.2 Permeâmetro de parede flexível

O permeâmetro de parede flexível é uma câmara triaxial adaptada ao ensaio

de permeabilidade conforme a Figura 8. Neste ensaio, podem-se utilizar vários tipos

de líquidos percolantes. Dependendo das características químicas do fluido a ser

percolado, deve ser avaliada a possibilidade deste reagir quimicamente com a

membrana e, por vezes, devendo ser alterado o tipo de membrana nesse caso.

21

Figura 8 - Permeâmetro de parede flexível Fonte: Daniel (1994)

A amostra de solo é colocada no interior da câmara triaxial e revestida com

uma membrana, ficando confinado entre pedras porosas. A câmara triaxial é

preenchida com água surgindo tensões de confinamento, que comprimem a

membrana flexível minimizando a possibilidade de ocorrer fluxo lateral.

As principais vantagens e desvantagens do permeâmetro de parede flexível

estão demonstradas a seguir.

As principais vantagens do permeâmetro de parede flexível são: (a) saturação da amostra por contrapressão e tem-se a possibilidade de verificar o parâmetro B = ∆u / ∆σ; (b) possibilidade de controle das tensões principais; (c) realizar ensaios com materiais de baixa condutividade hidráulica; (d) ensaios mais rápidos; (e) a membrana que envolve a amostra reduz o risco de percolação lateral devido à tensão de confinamento aplicada; (f) as mudanças volumétricas e deformações podem ser medidas. Citam-se como principais desvantagens: (a) os custos da célula e dos equipamentos envolvidos para realização dos ensaios são elevados; (b) problemas de compatibilidade química da membrana com líquidos utilizados na percolação; (c) dificuldades de execução do ensaio com tensões de compressão muito baixas; (d) problemas de difusão através da membrana (PINHEIRO e SOARES, 2006, p. 80).

2.4.3 Comparação entre permeâmetro de parede rígida e de parede flexível

O permeâmetro de parede rígida é o mais utilizado para determinar a

permeabilidade em laboratório, pois geralmente apresenta um custo menos elevado.

22

Porém, nos permeâmetros de parede rígida existe uma maior possibilidade de surgir

fluxo lateral se comparado com os permeâmetros de parede flexível.

O permeâmetro de parede flexível geralmente elimina o problema do fluxo

lateral, pois quando a célula triaxial for preenchida com água surgem tensões de

confinamento que comprimem a membrana flexível contra o corpo de prova da

amostra. A Figura 9 apresenta um resumo comparativo das principais vantagens e

desvantagens dos permeâmetros de parede rígida e flexível.

Figura 9 – Vantagens e desvantagens de permeâmetros, modificado Fonte: Daniel (1994)

23

2.4.4 Permeâmetros: métodos de ensaio

As metodologias de ensaios para determinação da condutividade hidráulica

são classificadas em função do tipo de aplicação de carga hidráulica. Podem ser do

tipo carga constante, carga variável e vazão constante (DANIEL, 1994).

2.4.4.1 Ensaio de Carga constante

O ensaio de carga constante é muito utilizado em solos arenosos. A amostra

fica submetida a uma diferença de carga hidráulica constante, ou seja, o gradiente

hidráulico não se altera durante todo o ensaio, conforme a mostra a Figura 10. A

quantidade de água que percola pela amostra é medida por uma proveta graduada,

em intervalos de tempo previamente estipulados. Conhecendo o volume que percola

pela amostra e o intervalo de tempo, calcula-se o k através da Equação 4.

Figura 10 – Permeâmetro carga constante Fonte: Pinto, 2002

(4)

24

Onde:

V = volume

L = comprimento da amostra

h = diferença de nível

A = área perpendicular ao fluxo

t = intervalo de tempo

2.4.4.2 Ensaio de carga variável

Neste ensaio o nível de água varia com o tempo conforme e essa variação é

medida em uma bureta graduada.

Em se tratando de solos finos (solos argilosos e siltosos), o ensaio com carga constante torna-se inviável. Devido à baixa permeabilidade destes materiais há pouca percolação de água pela amostra, dificultando a determinação do coeficiente de permeabilidade. Para tais solos, é mais vantajoso a utilização de permeâmetros com carga variável (PINHEIRO e SOARES, 2006, p. 81).

2.4.4.3 Ensaio com vazão constante

Nos sistemas de carga constante, mantém-se invariável a pressão do fluído

percolante na entrada e na saída do corpo de prova que contém a amostra. Sendo

assim, o gradiente hidráulico permanece constante e medindo a vazão, podendo-se

calcular a permeabilidade pela Lei do Darcy.

A pressão constante é mantida com o uso de vários artifícios, sendo que na

Figura 11 são ilustrados três sistemas abertos distintos de carga constante.

25

Figura 11 – Sistema hidráulico carga constante: a) reservatório constante, b) Variação de carga irrelevante, c) Tubo de Marriotte; modificado Fonte: Daniel (1994).

Na Figura 11b, a vazão é mantida constante abastecendo o reservatório de

montante, com uma vazão igual ou superior à que passa pelo corpo de prova.

Quando a vazão for maior o excesso sairá por um sangradouro.

Outra maneira é ilustrada na Figura 11b, na qual o reservatório de montante

tem um volume muito maior que o que percola pela amostra. Assim, a variação de

nível é irrelevante podendo considerar a carga hidráulica constante.

Também pode ser utilizado o tubo de Marriotte conforme a Figura 11c, que

consiste num tubo de pequeno diâmetro inserido em um reservatório fechado e cuja

ligação exterior se dá através deste tubo, sendo que a pressão na entrada e na

saída do tubo permanece a mesma, geralmente a pressão atmosférica.

2.5 Ensaios de campo para determinação da condutividade hidráulica

Os ensaios de campo servem para determinar a condutividade hidráulica do

solo em suas condições naturais. Têm como principal vantagem a possibilidade de

análise de um volume maior de solo, representando uma área maior do terreno,

26

fornecendo valores médios de permeabilidade, levando em consideração as

variações locais no solo.

2.5.1 Ensaio de bombeamento

Por meio deste ensaio determina-se no campo, a permeabilidade de camadas

de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água. O esquema do ensaio

pode ser visto na Figura 12.

O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o estabelecimento

de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e observar a variação do

nível d’água em piezômetros colocados nas proximidades.

O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da camada

ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de uma bomba com tipo

e capacidade necessária ao bombeamento.

Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de observação

do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de quatro poços de

observação e um mínimo de dois e levados até profundidades abaixo do nível mais

baixo que a água deve atingir durante o ensaio.

Ao se manter constante o nível d’água no poço, efetua-se as medidas das

alturas de água em cada um dos piezômetros instalados. A permeabilidade é

medida pela Equação 5.

(5)

27

Figura 12 – Poço de bombeamento Fonte: Pinheiro e Soares (2006)

2.5.2 Ensaio de permeabilidade em furo de sondagem

Nesse ensaio, determina-se a permeabilidade de solos injetando água em

furos de sondagem, medindo o volume que infiltra no solo através do furo.

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 para casos específicos e, por isso, é necessário muito cuidado para não aplicar fórmulas a ensaios cujas condições não se enquadram nos limites das mesmas. Os ensaios podem ser de carga variável ou de carga constante (PINHEIRO e SOARES, 2006, p. 83).

a) Furo sondagem com carga variável

É utilizado para determinar a permeabilidade do solo variando o nível de água

em um furo de sondagem executado na fase de investigação geotécnica, podendo

este ser feito com trado manual ou mecânico.

Este ensaio pode ser aplicado de duas maneiras Caso A e Caso B. No caso

A, o tubo vai até o fundo do furo de sondagem permitindo a infiltração vertical. Já no

caso B, deixa-se uma altura livre sem tubo surgindo uma infiltração horizontal,

conforme a Figura 13.

28

Figura 13 – Permeabilidade de carga variável Fonte: Pinheiro, Soares (2006)

a) Furo sondagem com carga constante

No ensaio de carga constante, a água é adicionada no interior do furo

revestido com um tubo em uma quantidade suficiente para manter um nível de água

constante. A água pode ser acrescentada por meio de recipientes calibrados ou por

bombeamento utilizando hidrômetros para medir o volume.

Mede-se a quantidade de água acrescentada em intervalos de tempo

preestabelecidos de 1,2,5 minutos, logo após o início do ensaio e daí em frente a

cada 5 minutos.

O ensaio é dividido em dois casos, conforme mostra a Figura 14.

Figura 14 – Ensaio de permeabilidade de carga constante em furo de sondagem Fonte: (Pinheiro e Soares, 2006)

29

Calculam-se estes casos pelas Equações 6 e 7.

CASO A (6)

CASO B (7)

Onde:

hc = depende do ensaio ser realizado abaixo ou acima do nível de água;

2.5.3 Ensaio com piezômetro

Os ensaios com piezômetro são amplamente empregados para determinação

da condutividade hidráulica, tanto em solos naturais como em solos compactados.

Isso se deve à sua simplicidade e rápida execução.

A equação básica para a determinação da condutividade hidráulica a partir de

resultados de ensaios com piezômetros foi apresentada por Hvorslev, em 1951, e

correspondia à condição do solo abaixo do nível de água. Para utilizá-la, é preciso

conhecer a relação entre a carga hidráulica aplicada no interior do furo e a vazão

medida durante o ensaio e ainda o fator de forma da ponteira. O fator de forma

depende da geometria do piezômetro e do tipo de ensaio (com aplicação de carga

hidráulica constante ou variável) (PINTO, 2005).

De acordo com Tavenas (1986) apud Pinto (2005), existem dois tipos de

piezômetros amplamente utilizados. São eles:

a) Piezômetro tipo escavado

A execução de um ensaio de condutividade hidráulica com piezômetro

escavado requer basicamente: tubos de PVC, bentonita para a execução do selo,

areia para execução do filtro, bureta graduada para a medição do volume de água

30

infiltrado e, ainda, trados e hastes para a execução do furo de sondagem, conforme

a Figura 15.

Figura 15 – Piezômetro escavado Fonte: Pinto (2005)

b) Piezômetro do tipo cravado

Este piezômetro é composto por uma ponteira metálica e um elemento poroso

unido a um tubo de água. Este tipo de ensaio não deve ser utilizado para solos

argilosos, uma vez que durante a cravação ocorre uma perturbação e colmatação na

estrutura do solo. A Figura 16 mostra o esquema de um piezômetro cravado.

31

Figura 16 - Piezômetro cravado Fonte: Pinto (2005) 2.5.4 Ensaio com permeâmetro de Boutwell

Daniel (1989) apud Das (2007) analisou nove métodos para estimar a

condutividade hidráulica em campo de camadas de argila compactada. Um destes é

o permeâmetro de Boutwell, mostrado na Figura 17.

32

Figura 17 - Ensaio de permeabilidade de Boutwell Fonte: Das (2007)

Como é mostrado na Figura 17, o permeâmetro de Boutwell apresenta dois

esquemas a e b, que serão descritos:

a) Um furo de sondagem é aberto e uma camisa é instalada, utilizando uma

argamassa para selar o furo. Este furo é preenchido com água e, através de uma

bureta graduada, mede-se o volume que infiltra no solo.

b) O furo de sondagem anterior é aprofundado e o ensaio de permeabilidade

com carga hidráulica variável é realizado novamente.

A anisotropia em relação à condutividade hidráulica é determinada pela

Figura 18, que é um gráfico de k1/k2 em função de m para vários valores de L’/D.

33

Figura 18 – Variação de k2/k1 em função de m Fonte: Das (2007)

2.5.5 Ensaio com infiltrômetro de anel

Segundo Paiva (2001), o infiltrômetro de anel consiste basicamente de dois

cilindros concêntricos e um dispositivo para medir volumes de água que infiltram no

cilindro interno. Os cilindros apresentam 25 cm de diâmetro (o menor) e 50 cm de

diâmetro (o maior), ambos com 30 cm de altura. Devem ser instalados

concentricamente e enterrados com o auxílio de uma marreta a 15 cm no solo. Para

isso, as bordas inferiores devem ser finas em formato de bisel, facilitando a

penetração no solo e causando a menor perturbação possível em sua estrutura,

como mostra a Figura 19.

34

Figura 19 – Desenho esquemático infiltrômetro de anel Fonte: Pinto (2002).

2.6 Aterro sanitário

Aterro sanitário de resíduos sólidos urbanos é uma obra de engenharia que

deve satisfazer alguns cuidados especiais e técnicas especificas na seleção da área

para sua instalação, como análise da permeabilidade do solo natural, profundidade

do nível de água, tipo do solo, etc. Consiste em uma

Técnica de disposição de resíduos sólidos urbanos no solo, sem causar danos à saúde pública e à sua segurança, minimizando os impactos ambientais, método este que utiliza princípios de engenharia para confinar os resíduos sólidos à menor área possível e reduzi-los ao menor volume permissível, cobrindo-os com uma camada de terra na conclusão de cada jornada de trabalho, ou a intervalos menores, se necessário (NBR 8419/92, p.01)

2.6.1 Seleção de áreas

Para escolher o local mais apropriado para a construção de um aterro de

resíduos sólidos urbanos, é preciso desenvolver um estudo de impacto ambiental

35

(EIA) e um relatório de impactos ambientais (RIMA), avaliando a influência do

empreendimento sobre a região de instalação, procurando medidas para mitigar e

compensar esses impactos. A NBR 13896/97 destaca algumas considerações

técnicas que devem ser feitas para avaliar a adequabilidade de um local. A seguir,

apresentam-se algumas delas:

a) não executar o aterro em áreas sujeitas a inundações em períodos de

recorrência de 100 anos;

b) camada natural mínima de 1,50m de solo insaturado entre o nível mais alto

de lençol freático e a superfície inferior do aterro (o desejável é que esta camada

tenha espessura superior a 3,0m);

c) predominância no subsolo de material com condutividade hidráulica inferior

a 5x10-7m/s (o desejável é que a condutividade hidráulica seja inferior a 5x10-8m/s);

d) distância mínima de 200m entre o aterro e qualquer recurso hídrico;

e) distância mínima de núcleos populacionais de 500 metros;

f) distância aos cursos de água maior do que 200 metros.

Também devem ser considerados aspectos como tamanho da área disponível

que está vinculado ao tempo de vida útil do empreendimento, que influenciam

diretamente no custo para implantação dessa obra. Portanto, na viabilidade

econômica da iniciativa, aconselha-se a construção de aterros com vida útil de, no

mínimo, 10 anos.

3 METODOLOGIA

A presente pesquisa compreende a análise da permeabilidade do solo de

uma área situada na central de resíduos sólidos da caturrita. Foi determinada a

permeabilidade através de análises de laboratório e campo.

Neste capitulo, são descritos os procedimentos adotados para o

desenvolvimento desta pesquisa.

3.1 Estudo de escritório

O estudo de escritório consiste em uma revisão sobre os tipos de ensaios e

equipamentos para determinação da permeabilidade no campo e no laboratório.

Para implantação desta pesquisa, buscou-se uma área na qual fosse

relevante para a determinação da permeabilidade do solo. Por isso, foi escolhida

uma área da central de resíduos da caturrita em Santa Maria (Figura 20).

Figura 20 – Área de estudo, montagem dos ensaios Fonte: Autor (2014)

37

3.2 Área de estudo

O Aterro sanitário da Caturrita está localizado no interior da sub-bacia

hidrográfica do Arroio Ferreira, na cidade de Santa Maria – RS, tendo como

referência as coordenadas 29o39’43” de latitude sul e 53o52’30” de longitude oeste

do meridiano de Greenwich, com cotas altimétricas entre 76 e 98 metros e área total

de 37 hectares (370.000,00 m2). O substrato geológico é constituído por rochas da

formação Santa Maria - membro Alemoa. Esta formação, segundo Maciel Filho

(1990) é constituída por siltitos argilosos maciços e arenitos argilosos, vermelhos,

com folhelhos na base, apresentando mica e concreções calcíferas irregulares. Sua

argila mais comum é montmorilonita.

3.3 Retirada de amostras

Uma amostra deformada foi retirada do local para caracterização do solo da

área de estudo na mesma profundidade na qual foram realizados os ensaios de

permeabilidade (Figura 21). O solo foi colocado em um saco plástico e identificado,

sendo levado ao laboratório, quando foi posto em bandejas e seco ao ar livre. Os

ensaios foram preparados seguindo as orientações da NBR 6457/86.

Figura 21 – Retirada de amostras deformadas Fonte: Autor (2014)

38

Foi feita a retirada de duas amostras indeformadas com o cilindro metálico

(tubo amostrador) na área de estudo onde foram montados os ensaios de campo.

Estas amostras foram utilizadas para determinar os índices físicos e avaliar a

permeabilidade do solo no laboratório em sua estrutura natural através do

permeâmetro tipo tubo amostrador.

3.4 Ensaios de laboratório

Tem o objetivo de apontar, caracterizar e determinar as principais

propriedades do solo que encontra-se na área de estudo.

3.4.1 Ensaios de caracterização

As análises foram realizadas no Laboratório de Materiais de Construção civil

(LMCC) da UFSM. Utilizando a amostra deformada, foram realizados os seguintes

ensaios de caracterização: determinação do peso específico real dos grãos (NBR

6508/84); análise granulométrica por peneiramento e sedimentação (NBR 7181/84);

limite de liquidez (NBR 6459/84) e; limite de plasticidade (NBR 7180/84).

3.4.2 Ensaio de com permeâmetro de parede rígida

O ensaio utilizado para determinação da permeabilidade em laboratório foi o

do permeâmetro de parede rígida tipo tubo amostrador, que foi montado com as

duas amostras indeformadas coletadas no campo, como mostra a Figura 22. O

sistema de controle do ensaio foi o de carga hidráulica variável (NBR 14545/00). O

volume infiltrado e a variação da carga hidráulica são medidos através de uma

bureta graduada.

39

Figura 22 – Permeâmetros tipo tubo amostrador Fonte: Autor (2014)

Neste ensaio, o nível de água varia com o tempo. Essa variação é medida em

uma bureta graduada e a condutividade hidráulica pode ser calculada pela Equação

8.

(8)

Onde:

a = área da bureta

A = área da amostra

L = comprimento da amostra

h1e h2= leituras na bureta

40

3.5 Ensaios de Campo

A avaliação da capacidade de infiltração e condutividade hidráulica foi

realizada por ensaios in situ, tais como infiltrômetro de anel, ensaios em furo de

sondagem, ensaios com a técnica do piezômetro escavado e ensaios com

permeâmetro de Boutwell. Estes ensaios têm como principal vantagem a

possibilidade de analise um volume maior de solo, representando uma área maior do

terreno, fornecendo valores médios de permeabilidade, levando em consideração as

variações locais no solo. Porém, estes métodos estão sujeitos a uma série de erros,

como falta de precisão nas medidas dos elementos geométricos, amolgamento do

solo devido à perfuração e variabilidade da temperatura na hora no ensaio.

3.5.1 Ensaio com Infiltrômetro de Anel

No ensaio de infiltrômetro de anéis, estes foram cravados no solo com auxílio

de uma marreta dois cilindros metálicos (o menor com 25 cm e o maior 50 cm) até

uma profundidade de aproximadamente 15 cm. Após, preencheu-se o espaço entre

os dois cilindros com água, mantendo está região saturada. Utilizando um saco

plástico, isola-se o interior do cilindro menor e em seguida adiciona-se água,

formando uma lâmina de aproximadamente 5 cm que será mantida em nível

constante.

O ensaio começa removendo a sacola do anel interno, permitindo assim a

infiltração na região do anel menor. Na medida em que a água vai infiltrando, uma

boia libera a entrada de mais água. Um reservatório externo graduado que está

vinculado a boia é utilizado para medir a capacidade de infiltração. Nas Figuras 23 e

24 observa-se o infiltromêtro utilizado.

41

Figura 23 – Esquema montagem do Infiltrômetro de Anel Fonte: Autor, 2014

Figura 24 – Infiltrômetro sendo utilizado Fonte: Autor (2014)

A capacidade de infiltração ( ) é medida em intervalos preestabelecidos de 1,

2, 4, 8, 16, 30, 60, 90 e 120 minutos, anotando qual foi a variação da altura de água

no reservatório externo em centímetros. O anel externo tem como finalidade reduzir

42

o efeito da dispersão lateral da água infiltrada no anel interno. Assim, a água do anel

interno infiltra-se no solo na direção predominante vertical, reduzindo a possibilidade

de superestimação da infiltração.

A capacidade de infiltração é calculada pela Equação 9.

(9)

Sendo:

- é a variação na lâmina de água em cm

- é o intervalo de tempo desta variação em minutos

- é a infiltração em cm/h

3.5.2 Ensaio em Furo de Sondagem

O ensaio em furo de sondagem foi executado em campo contemplando, os

dois casos citados no Capítulo 2.5.2, utilizando-se um trado para abertura de dois

furos de 40 cm de profundidade (Figura 25). Os furos foram revestidos com tubos de

PVC de 50 mm que encaixaram perfeitamente sem apresentar vazamentos. No

Caso A, o tubo de PVC foi inserido até o final do furo, determinando a

permeabilidade vertical (kV) e, no Caso B foi deixada uma altura livre de 20 cm para

determinar predominantemente a permeabilidade horizontal (kH). Em intervalos de

tempo preestabelecidos, foi utilizada uma bureta graduada para medir a infiltração

no solo através da variação da carga hidráulica (Figura 26). A execução destes

ensaios seguiu as recomendações da Associação Brasileira de Geologia de

Engenharia e Ambiental (ABGE) e Lima (1979).

A permeabilidade é calculada pelas Equações 10 e 11.

Caso A

(10)

43

Caso B

(11)

Levando em conta a anisotropia, um valor médio representativo desta camada

pode ser calculado pelas Equações 12 e 13.

(12)

(13)

Onde:

Km = permeabilidade média da camada

m = relação de transformação

44

Figura 25 – Execução do furo de sondagem Fonte: Autor (2014)

Figura 26 – Medindo infiltração bureta graduada Fonte autor, 2014)

45

3.5.3 Ensaio com Piezômetro Escavado

Para montagem deste ensaio (Figura 27) necessita-se:

a) tubo de PVC com diâmetro 32mm ranhurado, que possibilita a infiltração de

água no solo;

b) tubos de PVC com diâmetro 32mm, que servirá de aumento para o tubo de

água chegar até a profundidade desejada (cada extensão deve ser rosqueada e

vedada);

c) areia grossa e fina para confecção do filtro granular, envolvendo toda a

altura das ranhuras do tubo;

d) bentonita para execução do selo para o filtro;

e) uma bureta graduada para medir o volume de água que infiltra;

f) trados para execução do furo

Figura 27 – Esquema de montagem piezômetro escavado Fonte: Pinto (2005)

Herzog (1994) apresenta detalhes construtivos de piezômetros escavados

que foram utilizados para determinação da condutividade hidráulica em depósitos

naturais geológicos dos Estados Unidos. Os ensaios deste autor são do tipo

Ponteira (tubo

PVC ranhurado)

Tubo PVC φ 32 mm Sistema de leitura

volumétrica (bureta

graduada paralela ao tubo)

Solo natural

recompactado tem função apenas

de preenchimento Selo de bentonita

Filtro de

areia

46

slugtest, similar aos ensaios realizados por Cunha (1997), Bortoli (1999), Pinheiro

(2000) e Pinto (2005).

O procedimento de instalação começou com a abertura do furo de sondagem

a trado manual até a profundidade desejada (40 cm) e, após, procede-se a limpeza

do furo. Coloca-se o tubo de PVC ranhurado dentro deste furo apoiado sobre uma

pequena camada de areia, que serve para regularizar o fundo. Executa-se o filtro

preenchendo o espaço entre o tubo de PVC e o furo de sondagem com areia limpa.

Esta altura de areia deve superar ligeiramente a altura das ranhuras (30 cm). Para

finalizar a montagem, coloca-se o selo de bentonita, que deve garantir o selamento

perfeito (Figura 28).

Após a expansão da bentonita, pode ser iniciado o ensaio. Os volumes que

infiltram no solo são determinados com o auxílio de uma bureta graduada conectada

a um tudo de PVC externo ao furo (Figura 29). Através da bureta, medem-se as

diferenças de cotas h1 e h2 em intervalos de tempos.

Figura 28 – Finalizando o piezômetro escavado Fonte: Autor (2014)

47

Figura 29 – Piezômetro pronto para ensaio Fonte: Autor (2014)

Para ensaio realizado com carga hidráulica variável, Hvorslev (1951) apud

Bortoli (1999) propõe a utilização da Equação 12.

(12)

48

Onde:

d = diâmetro do tubo

h1 e h2 =as cargas hidráulicas nos tempos t1 e t2 respectivamente

F = fator de forma

O fator de forma F depende da geometria do piezômetro e do tipo de ensaio

(com carga hidráulica constante ou variável) e pode ser determinado com a Equação

13.

(13)

Neste trabalho, foi adotado m = 1, proposto por Hvorslev (1951) para calcular

o fator de forma.

3.5.4 Ensaio de Boutwell

O ensaio consiste em um furo de sondagem de 100 mm, executado a trado

manual com 30 cm de profundidade, para revestir o furo foi utilizado um tubo de

PVC 60 mm. O espaço que ficou entre o furo e o tubo foi preenchido com bentonita

com o objetivo de vedar o furo (Figura 30).

No primeiro momento, determina-se a permeabilidade k1, que é a infiltração

no fundo do furo medida pela diferença de carga hidráulica de uma bureta graduada,

como mostra a Figura 30, calculada pela Equação 14.

(14)

Onde:

d = diâmetro da bureta

D = diâmetro da camisa

h1 e h2 =as cargas hidráulicas nos tempo t1 e t2 respectivamente

49

Figura 30 – Permeâmetro de Boutwell Fonte: Autor: 2014

Figura 31 – Boutwell medindo a infiltração bureta graduada Fonte: Autor, 2014

50

Após isto, o furo anterior foi aprofundado para um furo 15 cm (L’) com o

auxílio de um trado mais fino que entrava no tubo de PVC e determinado o k2

através das Equações 15, 16 e 17.

(15)

Onde:

(16)

(17)

E, por último, foram aprofundados mais 15 cm, totalizando uma altura livre (L’)

sem tubo de 30 cm e determinado novamente o k2 pelas mesmas equações

propostas anteriormente.

A anisotropia em relação à condutividade hidráulica é determinada (Figura

32), que é um gráfico de k2/k1 em função de m ( ) para vários valores de

L’/D.

51

Figura 32 – Variação de k2/k1 em função de m Fonte: DAS, 2007)

A Figura 32 pode ser usada para obter m usando os valores experimentais de

k2/k1 e L’/D. Os gráficos desta figura são determinados a partir da Equação 18.

(18)

Após encontrar m, pode ser determinado e .

4 APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS

Esse capítulo apresenta os resultados desta pesquisa de acordo com o

objetivo e ensaios propostos.

4.1 Ensaios de caracterização / Classificação / Índices Físicos

Os resultados da determinação do peso específico real dos grãos (γs), limites

de liquidez (LL) e plasticidade (LP)estão apresentados na Tabela 1. Estes

parâmetros foram obtidos segundo as especificações da ABNT (NBR 6508/84, NBR

6459/84, NBR 7180/84) respectivamente.

Tabela 1 - Resultados dos ensaios de massa específica real dos grãos e limites de

consistência

Identificação Peso especifico real dos

grãosγs(kN/m3) LL(%) LP(%) IP(%)

AMD-01 26,87 53 30 23

O peso específico real dos grãos da amostra deformada apresentou o valor

de 26,87 kN/m3, de acordo com a mineralogia (argilas do grupo da ilita e

montmorilonita) (PINTO, 2005). A amostra se enquadra na classificação altamente

plástica, pois apresenta um IP maior que 15%. Também vale ressaltar que quanto

maior o IP mais compressível será o solo.

A Tabela 2 apresenta os resultados do ensaio de granulometria por

peneiramento e sedimentação com o uso de defloculante (NBR 7181/84). Nesta

tabela, apresenta-se também a classificação geotécnica pelos sistemas da HRB e

SUCS. A Figura 33 apresenta a curva granulométrica deste solo.

Tabela 2 – Resultados do ensaio de granulometria e classificação geotécnica

Frações granulométricas (%) Classificação geotécnica Identificação

Ped. Ar. Grossa Ar. Média Ar. Fina Silte Argila HBR SUCS

AMD-01 0 0 1 15 45 39 A7-5(19) MH

53

Figura 33 – Curva granulométrica do solo

54

Pelos resultados, este solo apresenta um predomínio de finos (siltes +

argilas), tendo uma fração areia de 16%, predominando areia fina. Texturalmente,

este solo pode ser classificado como um silte argiloso.

Segundo a classificação HBR, este solo enquadra-se no grupo A7-5.

Portanto, solos de granulometria fina, definidos como siltes argilosos, possuem altos

valores de LL (plásticos) e sofrem grande mudança de volume. Os solos deste grupo

possuem IP moderado em relação ao LL e podem ser altamente elásticos. Além

disso, esta amostra apresentou índice de grupo igual a 19, que o caracteriza como

um material pobre para utilização em bases e sub-bases de pavimentos. De acordo

com o Sistema de Classificação Unificada dos Solos (SUCS), a amostra foi

classificada com MH, sendo um silte elástico (ASTM D2488/84).

Sendo assim, este foi classificado como uma alteração de siltito da Formação

Santa Maria (Membro Alemoa) de cor avermelhada com manchas cinza, de média a

alta plasticidade.

Foram determinados os índices físicos das amostras indeformadas utilizadas

para determinar a permeabilidade em laboratório. A Tabela 3 apresenta os

resultados:

Tabela 3 – Índices físicos das amostras indeformadas

Am

ost

ra Peso específico

natural

γγγγ(kN/m3)

Peso especifico aparente seco

γγγγd(kN/m3)

Teor de umidade

natural w (%)

Grau de saturação

S(%)

Índice de vazios

e

Porosidade n(%)

AMI-01 15,99 11,76 35,92 75,17 1,284 56,35

AMI-02 18,79 14,34 31,05 95,56 0,873 46,61

55

4.2 Ensaios de infiltração e condutividade hidráulica

4.2.1 Ensaio de laboratório

(a) Ensaio com permeâmetro de parede rígida

O ensaio de laboratório utilizado nessa pesquisa foi o permeâmetro tipo tubo

amostrador, descrito anteriormente no item 3.5.2, utilizando duas amostras

indeformadas. Os resultados deste ensaio podem ser conferidos na Tabela 4.

Tabela 4 – Resultados da permeabilidade no ensaio do permeâmetro de parede

rígida

Horizonte Ponto Teor de

umidade (%) Índice de

Vazios (cm) Grau de

Saturação (%) Valor de cada leitura k(m/s)

Valor médio da amostra k(m/s)

2,304 x 10-6

2,011 x 10-6

AMI-01 35,92 1,284 75,15

2,120 x 10-6

2,146 x 10-6

1,918 x 10-8

6,472 x 10-9

4,222 x 10-9

C

AMI-02 31,05 0,873 95,56

3,091 x 10-9

8,242 x 10-9

Ensaios com o permeâmetro medem a permeabilidade vertical. Os resultados

apresentaram valores distintos na ordem de 8,24x10-9m/s a 2,14x10-6 m/s. Esta

diferença significativa pode ter ocorrido devido à diferença no índice de vazios das

duas amostras, pois AMI-01 apresentou um índice 1,5 vezes maior que AMI-02.

Também pode ter ocorrido uma perturbação da estrutura do solo AMI-01 durante o

procedimento de coleta da amostra. Outro motivo é que pode ter surgido fluxo lateral

no ensaio de parede rígida e deve ser levado em conta que as amostras foram

coletadas em pontos diferentes.

4.2.2. Ensaios de campo

(a) Ensaio de Inflitrômetro de Anel

O ensaio com o infiltrômetro de Anel foi realizado conforme o descrito

anteriormente no item 3.6.2. A capacidade de infiltração superficial apresentou um

resultado médio de 3,403x10-5 m/s. Pinto (2005) encontrou valores de capacidade de

infiltração superficial na ordem de 10-5 m/s em um estudo de solos para disposição

56

de resíduos na região de Santa Maria. Estes valores estão na mesma ordem de

grandeza da permeabilidade horizontal dos Depósitos Fluviais do Arroio Cadena

apresentados por Rauber (2008). A Tabela 05 mostra os resultados e a Figura 34 a

infiltração acumulada.

Tabela 5 – Resultados da capacidade de infiltração

Ponto Cap. Inf. (cm/s) Cap. Inf. (cm/h) Cap. Inf. Média (m/s)

IF-01 1,84E-03 6,63

IF-02 2,28E-03 8,21

IF-03 2,69E-03 9,67

IF-04 6,81E-03 24,50

3,40E-05

Figura 34 – Gráfico da infiltração acumulada de todos os ensaios

(b) Ensaio em furo de sondagem

Os ensaios em furo de sondagem foram realizados conforme descrito

anteriormente no item 3.6.3. Os resultados podem ser conferidos na tabela 6. No

caso A, o tubo reveste todo o furo e no caso B o tubo reveste metade do

comprimento do furo.

Dia seco

Dias chuvosos

57

Tabela 6 – Resultado da permeabilidade no ensaio de furo de sondagem

Ponto

Altura do

filtro (cm)

Diâmetro do furo

(cm)

Profundidade (m)

Valor cada leitura k(m/s)

Valor médio k(m/s)

km(m/s) m

1,468 x 10-9

1,450 x 10-9 CASO A

Permeabilidade vertical

0 5 0,4

1,468 x 10-9

1,462 x 10-9

5,464 x 10-9

5,676 x 10-9 CASO B

Permeabilidade horizontal

20 5 0,4

5,783 x 10-9

5,641 x 10-9

2,872 x 10-9 1,964

Para os ensaios do tipo A, a permeabilidade é vertical (kV). Já para os ensaios

do tipo B, o valor de permeabilidade é predominantemente horizontal (kH). Na média,

os resultados indicam uma maior permeabilidade horizontal na ordem de 3,8 vezes

superior a vertical.

Deve-se unificar os valores das permeabilidades vertical e horizontal em um

único valor que seja representativo da camada definimos o km. O fator m é um fator

de transformação e através dele pode-se determinar as permeabilidades verticais e

horizontais a partir do km.

Os ensaios de furo de sondagem geraram valores médios na ordem de

2,87x10-9 m/s, ou seja, dentro dos valores de permeabilidade horizontal

apresentados por Pinheiro (2000), Pinto (2005) e Rauber (2008) para a Formação

Santa Maria (Membro Alemoa), utilizando a técnica do piezômetro escavado.

(c) Ensaio com a técnica de piezômetro

Os ensaios com os piezômetros foram realizados em dois pontos da área

estudada com o auxílio do trado manual para escavação do furo de 85 mm de

diâmetro e instalação do equipamento. Os ensaios foram realizados em uma

profundidade de 40cm, com uma altura de filtro granular de 30 cm e 10 cm de

selamento de bentonita. Antes do início das medidas, o furo foi preenchido com

água para formação do bulbo de saturação. A Tabela 7 mostra os resultados dos

ensaios.

58

Tabela 7 – Resultados da permeabilidade no ensaio com piezômetro no campo

Ponto Altura do filtro (cm)

Diâmetro do furo (cm) Profundidade (m) Valor cada

leitura k(m/s) Valor médio

k(m/s)

3,529 x 10-7

4,088 x 10-7 PZ-01 30 8,5 0,4

4,199 x 10-7

3,939 x 10-7

1,798 x 10-7

1,724 x 10-7

1,605 x 10-7

1,546 x 10-7

1,459 x 10-7

PZ-02 30 8,5 0,4

1,372 x 10-7

1,584 x 10-7

Os resultados dos ensaios com piezômetro escavado geraram valores médios

de permeabilidade horizontal na ordem de 2,76x10-7 m/s. O PZ-01 apresentou

valores 2,5 vezes maior que o PZ-02. Durante os ensaios, o selo de bentonita do

PZ-01 rompeu após a terceira leitura paralisando o ensaio. Rauber (2008), em

ensaios realizados em materiais da Formação Santa Maria (Membro Alemoa),

encontrou valores de permeabilidade horizontal na ordem de 10-8 m/s a 10-9 m/s.

Pinheiro (2000) obteve valores de permeabilidade horizontal entre 10-8 m/s e 10-9

m/s para esta formação, porém na região de Santa Cruz em estudos de estabilidade

de encostas. A Figura 35 mostra os resultados da permeabilidade no PZ-02.

Figura 35 – Gráfico da permeabilidade PZ-02

PZ-02, Curva mostra a tendência de

uma menor permeabilidade

59

(d) Ensaios com permeâmetro de Boutwell

Os ensaios com o permeâmetro de Boutwell foram realizados conforme

descritos anteriormente no item 3.6.4.

As Tabelas 8, 9 e 10 mostram os resultados no ponto BT-01.

Tabela 8 – Resultados de k1 ensaio BT-01



leitura k1(m/s) Valor médio

k1(m/s)

1,932 x 10-8

1,654 x 10-8 BT-01 0 5,3 0,3

1,631 x 10-8

1,739 x 10-8

Tabela 9 – Resultados de k2 ensaio BT-01




k2(m/s)

2,287 x 10-8 15 5,3 0,45

2,541 x 10-8

30 5,3 60 1,504 x 10-8 BT-01

1,601 x 10-8

2,00 x 10-8

Tabela 10 – Resultado da permeabilidade horizontal e vertical BT-01

Ponto k2/k1 m kH(m/s) kV(m/s)

BT-01 1,15 1,3 2,260 x 10-8 1,337 x 10-8

A permeabilidade apresentada em BT-01 foi da ordem de 10-8 m/s, sendo que

a permeabilidade horizontal foi 1,7 vezes maior que a vertical.

As Tabelas 11, 12 e 13 mostram os resultados nos pontos BT-02

60

Tabela 11 - Resultados de k1 ensaio BT-02



leitura k(m/s) Valor médio

k(m/s)

1,677 x 10-8

1,536 x 10-8 BT-02 0 5,3 0,3

1,395 x 10-8

1,536 x 10-8

Tabela 12 - Resultados de k2 ensaio BT-02




k2(m/s)

3,910 x 10-8 15 5,3 0,45

3,935 x 10-8

4,653 x 10-8 BT-02

30 5,3 60 4,462 x 10-8

4,240 x 10-8

Tabela 13 - Resultado da permeabilidade horizontal e vertical BT-02

Ponto k2/k1 m kH(m/s) kV(m/s)

BT-02 2,75 2,5 3,840 x 10-8 6,144 x 10-9

A permeabilidade apresentada em BT-02 foi da ordem de 3,84x10-8 m/s a

6,14x10-9m/s, sendo que a permeabilidade horizontal foi 6,25 vezes maior que a

vertical.

Essa diferença pode ser explicada pela complexidade da montagem do

ensaio no campo, sendo difícil garantir a limpeza do furo.

4.3 Análise dos resultados

Através destas análises, utilizando diferentes metodologias de ensaios para

determinar a capacidade de infiltração e permeabilidade do solo, foram encontrados

resultados que variam na ordem de 3,40x10-5 m/s a 8,24x10-9 m/s.

O maior resultado foi obtido pelo ensaio do infiltromêtro de anel. Este valor,

que é alto (3,40x10-5 m/s) se comparado com os demais, deve-se ao fato do

61

infiltromêtro de anel medir capacidade de infiltração superficial média muito superior

aos resultados da permeabilidade dos outros ensaios. Este ensaio é muito utilizado

na área agrícola para determinar a infiltração superficial de solos para diferentes

tipos de culturas.

No laboratório, o permeâmetro de parede rígida apresentou dois resultados

médios de permeabilidade AMI-01 = 2,14x10-6 m/s e AMI-02 = 8,24x10-9 m/s. Foram

determinadas as propriedades índices destas amostras indeformadas, verificando

que, no corpo de prova mais poroso (maior índice de vazios) a k foi bem mais

elevada.

As técnicas de campo piezômetro tipo escavado foi a de mais fácil montagem

e execução, apresentando permeabilidade horizontal PZ-01 = 3,93x10-7 m/s e PZ-02

= 1,58x10-7 m/s. Porém, apresentou um problema, que foi o rompimento do selo de

bentonita (10 cm) na terceira leitura do PZ-01. Para evitar este problema, deve ser

adotado selo mais espesso.

O ensaio em furo de sondagem tem como uma das suas principais vantagens

a determinação da permeabilidade vertical e horizontal, que apresentou valores

médios kV = 1,46x10-9 m/s e kH = 5,64x10-9 m/s. Porém, essas permeabilidades são

medidas em furos diferentes. Então estão sujeitas a incertezas intrínsecas das

características de cada local. Durante sua montagem, constatou-se a dificuldade de

evitar vazamentos entra o furo e o tubo.

O ensaio de Boutwell também permite a determinação da permeabilidade

vertical e horizontal, apresentando valores médios kV = 9,75x10-9 m/s e kH =

3,05x10-8 m/s. Porém, este ensaio tem como principal característica o fato de kV e kH

serem determinados no mesmo ponto, diferenciando-se do ensaio em furo de

sondagem. Para isso, basta aprofundar o furo com auxílio de um trado. Durante a

execução e montagem, ficou constatado que deveria ter sido utilizado um tubo de

maior diâmetro para facilitar a limpeza do furo quando este é aprofundado.

A Figura 36 mostra graficamente os resultados dos ensaios de acordo com os

valores médios de permeabilidade.

62

Figura 36 – Classificação dos resultados de permeabilidade dos ensaios, modificado Fonte: Rauber (2008) Onde:

BOT = ensaio com permeâmetro de Boutwell

PPR = ensaio com permeâmetro de parede rígida

FS = ensaio em furo de sondagem

PIE = ensaio com a técnica do piezômetro escavado

5 CONCLUSÃO

Os ensaios de campo demonstraram serem instrumentos muito úteis ao

estudo da condutividade hidráulica envolvendo os projetos de aterros sanitários

devido à possibilidade de analisar um volume muito maior de solo. Ainda, segundo

Pinto (2005), os ensaios in situ tem como vantagem a eliminação dos problemas

como amolgamento das amostras indeformadas e a dificuldade de amostragem para

solos arenosos. Porém, estes ensaios podem apresentar erros, como falta de

precisão nas leituras e variabilidade na temperatura ambiente, que podem ser

minimizados nos ensaios de laboratório.

A NBR 13896/97 define que uma camada impermeabilizante deve ser

implantada na base de um aterro sempre que houver predominância no subsolo de

material com condutividade hidráulica superior 5x10-7m/s. Desse modo, levando-se

em consideração apenas essa recomendação, haveria necessidade de uma

proteção adicional. Porém, a amostragem usada neste trabalho de conclusão de

curso foi insuficiente para um posicionamento definitivo. Para isso, deve ser feito um

levantamento mais minucioso da área, executando ensaios de campo e laboratoriais

abrangendo uma área maior do empreendimento.

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