UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE - UFCG CENTRO DE TECNOLOGIA E RECURSOS NATURAIS - CTRN UNIDADE ACADÊMICA DE ENGENHARIA CIVIL - UAEC DISCIPLINA: MECÂNICA DOS SOLOS EXPERIMENTAL
PERMEABILIDADE
PROFESSOR(A): Veruschka Escarião Dessoles Monteiro
Souza – 110210409 110210409 GRUPO: Iuri G. Carvalho de Souza – Luis Augusto Gonçalves Rodrigues – Rodrigues – 111150035 111150035 Maria Luiza Freire de Carvalho – Carvalho – 110210414 110210414 Maurício Nunes de F. Segundo – Segundo – 110110404 110110404
CAMPINA GRANDE, FEVEREIRO DE 2014. 1
Índice 1. Introdução _______________________________________3 1.1 Justificativa ____________________________________________ 3 1.2 Objetivos ______________________________________________ 3 2 Revisão Bibliográfica ______________________________ 4 3 Materiais e Métodos _______________________________ 6 4 Resultados ___________________________________ 11 5 Conclusões ___________________________________ 16 6 Referências Bibliográficas _____________________ 17
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PERMEABILIDADE
1. Introdução 1.1 Justificativa: A água preenche grande parte ou todos os vazios do solo. Quando submetida a diferenças de potenciais a água se desloca pelo interior do solo. O estudo da percolação da água é de extrema importância porque ela implica em um grande número de problemas relacionados ao solo, tais como: drenagem, rebaixamento do nível d’água, recalques, barragens, etc. A permeabilidade é a propriedade que o solo apresenta de permitir o escoamento através do mesmo, para tal, se é determinado o coeficiente de permeabilidade. A determinação deste coeficiente baseia-se na lei de Darcy para escoamento laminar, segundo a qual a velocidade de percolação é diretamente proporcional ao gradiente hidráulico, e pode ser feita em laboratório por permeâmetros. 1.2 Objetivos: O ensaio nos permite calcular o coeficiente de permeabilidade através de permeâmetros tanto de carga constante como de carga variável.
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2. Revisão Bibliográfica:
Para o estudo da permeabilidade considera-se o coeficiente de permeabilidade(K) com o parâmetro. Com a finalidades de conhecer este coeficiente realizam-se 3 ensaios, são eles: permeabilidade com carga constante e permeabilidade com carga variável (subdivide-se em horizontal e vertical). Os cálculos a serem realizados são oriundos da lei de Darcy. Por meio de experimentos Darcy chegou a conclusão que fatores geométricos interferiam na vazão da água, com isso ele chegou a seguinte fórmula:
Q = K(h/L)A Onde: Q – vazão; A - área do permeâmetro; K - o coeficiente de permeabilidade; h – carga dissipada na percolação; L – distância na qual a carga é dissipada. A relação h/L é denominada como gradiente hidráulico, expresso pela letra i. Daí;
Q = KiA A vazão dividida pela área indica a velocidade com que a água sai da areia. Esta velocidade, v, é chamada de velocidade de percolação. A lei de Darcy é válida somente para os casos de fluxo laminar. Então;
v = Ki A velocidade v é na forma de cm/s, e cada tipo de solo tem a grandeza de sua velocidade estimada por uma escala, dependendo do solo a ser trabalhado a velocidade pode ser maior ou menor.
Figura: Permeabilidade de acordo com o solo. 4
Vários fatores influenciam na permeabilidade do solo, alguns deles: •
Temperatura
•
Grau de saturação
•
Estrutura do solo
•
Estado do solo
•
Granulometria
•
Composição mineralógica
•
Índices de vazios
A influência da estrutura do solo: Solos residuais: maiores permeabilidades em virtude dos macroporos (vazios entre os agregados de partículas). Solos argilosos: estrutura floculada determina maior permeabilidade que a dispersa. Há várias maneiras de determinar o coeficiente de permeabilidade: Ensaios de Campo -
bombeamento;
-
permeabilidade em furos de sondagem.
Ensaios de Laboratório -
permeâmetro de carga constante (solos arenosos);
-
permeâmetro de carga variável (solos finos).
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3. MATERIAIS E MÉTODOS
O solo que foi usado para a realização do ensaio foi retirado da obra de Barragem Limeiro, do trecho Jazida Jatobá.
3.1 Materiais
Permeâmetro;
Figura: Permeâmetro
Reservatório com filtro
Bom ba de vácu o
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Figura:Dessecador e bomba de vácuo
Funil;
Equipamento para compactação;
Tubos Manométricos;
Balanças;
Papel de filtro;
Figura: Papel filtro
Barras de Calibração;
Termômetro;
Cronômetro;
Proveta;
Argilas;
Régua;
Pedras porosas;
Cilindros metálicos para conformação do corpo de prova.
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Figura: Cilindros metálicos
3.2 Métodos Esse ensaio de permeabilidade foi divido em três etapas. Primeiramente foi analisada a permeabilidade do solo à carga variável, vertical e horizontal, por último à carga constante. Foi seguida a NBR 14545/2000, para determinação do coeficiente de permeabilidade à carga variável, e a NBR 13292/1995, para a determinação do coeficiente de permeabilidade à carga constante. Além de seguir outras normas da ABNT já trabalhadas em ensaios anteriores como: Granulometria, preparação de amostras, compactação. Para começar esse o ensaio é necessário antes fazer uma compactação para moldar os corpos de prova utilizados nos ensaios de carga variável. Usa-se o proctor normal, e determinando-se a massa específica (γSmáx), a umidade ótima (H ótm) e a umidade higroscópica (H hig) do solo. A partir da umidade ótima e a higroscópica calcula-se a quantidade de água para moldagem dos corpos de prova para o ensaio. Em seguida foi determinada a massa específica real do solo. Posteriormente, fez-se a saturação dos corpos de prova, através da bomba a vácuo, deveriam ficar saturando por no mínimo 2 horas, para a retirada do ar existente nos vazios, mas como é apenas para termos uma noção de como esse ensaio é realizado, eles ficaram apenas 15 minutos nessa condição (Figura 06). Nesse processo os corpos de prova foram submersos em água. Completado esse procedimento levaram -se os corpos de prova para o permeâmetro e iniciou -se o ensaio. Para a realização do ensaio à carga constante não foi mostrado à moldagem do corpo de prova para utilização no ensaio, como já foi visto em experimento anterior. Este ensaio é realizado com materiais arenosos (fina, média, grossa).
Permeabilidade à carga variável vertical e horizontal:
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Inicialmente coloca-se o corpo de prova, com todos os materiais de impermeabilização, na posição vertical e abriu -se a válvula que permite o escoamento de água por meio dele. Espera-se o nível de água chegar ao valor de 100 cm da régua graduada da bureta e inicia -se as leituras, variando a carga de água no corpo de prova de acordo doa a abertura da válvula, até um tempo de 300s (5 minutos). Os valores encontrados para as leituras são somados com 27,7cm (comprimento do cilindro até a altura zero da régua) e anotados no formulário para a determinação do coeficiente de permeabilidade. Aferiu -se ainda, a temperatura da água para saber a viscosidade. Para a carga procedimentos acima.
variável
horizontal
seguiu -se
os
mesmos
Figura: Corpo de prova no dessecador
Permeabilidade à carga constante: Este ensaio é realizado apenas com solos granulares, contendo no máximo 10%, em massa do material que passa na peneira #0,074mm. Segundo a NBR 13292/1995, para moldar o corpo de prova é necessário, por peneiramento, separar o grãos retidos na peneira #19mm, os quais não devem ser utilizados no ensaio de permeabilidade. Com o material passante na peneira #19mm, selecionou -se, com o uso do repartidor da amostras ou por quarteamento, uma quantidade aproximadamente igual a duas vezes a necessária para preencher o permeâmetro e homogeneizar em uma bandeja. Em seguida coloca -se esse material no interior do permeâmetro até a altura determinada em norma.
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Posteriormente, abri-se a válvula para efetuar a saturação do material, dessa forma a água entra pelo corpo de prova de baixo para cima. Depois de saturado dá-se início ao ensaio. Em virtude da falta de água durante a realização desse experimento não pudemos ver por completo.
Ao abrir novamente a válvula deveríamos observar o menisco de água nas buretas do equipamento até que se estabilizassem. Após a estabilização, com o auxílio de um cronômetro e de uma proveta mediu -se a vazão de água por um determinado tempo e é anotado os dados.
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Figura: Material no Permeâmetro
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Resultados
Permeabilidade à carga variável vertical
UNIVERSIDADE FEDERAL DE VARIÁVEL PERMEABILIDADE - CARGA
CAMPINA GRANDE
VERTICAL 11
OBRA: BARRAGEM LIMEIRO ÓRGÃO EXECUTOR: TRECHO: JAZIDA JATOBÁ REGISTRO: FURO - 07 AMOSTRA: PROFUNDIDADE: 0,10 – 0,90 SONDAGEM: ESTACA: TIPO DE AMOSTRA – NATURAL ( ) - COMPACTADA ( X ) INTERESSADO: DIÂMETRO DA AMOSTRA (cm): 10,1 ALTURA ENERGIA PROCTOR: NORMAL DO CILINDRO (cm): 8,3 ALTURA DO CORPO DE PROVA (cm): HCI: 11,5 CM OPERADOR:
s(Máx) (g/cm3)=1,998 h(ótima) =10,2 (%) h(higroscópica) =1,95 (%)
s MOLDAGEM 1,994 (g/cm3) VERIFICAÇÃO s SATURAÇÃO (g/cm3) Teor de Umidade Moldagem
Molde N°: 01 Área do Molde – A (cm ): 80,08 Volume do Molde – V (cm3 ): 920,90 Molde + Solo Úmido – PBh (g): 3825,00 Massa do Molde – P (g): 1803,00 Massa do Solo Úmido Inicial – PhI (g): 2022,00 Massa do Solo Úmido Final – PhF (g): -Massa do Solo Seco Final – PsF (g): Massa Específica Aparente Úmida Inicial - i (g/cm3): 2,195 Massa Específica Aparente Úmida Final - f (g/cm3): -Massa Espec. Apar. do Solo Seco de Moldagem - s(g/cm3): 1,994
(%)
10,2
h SATURAÇÃO (%)
12.2
Saturação
C - 31
AL - 47
137,06 134,64 Solo Úmido + Cápsula (g) Solo Seco + Cápsula 125,81 123,55 (g) 14,58 14,07 Massa da Cápsula (g) 11,25 11,09 Massa de Água (g)
144,25
AL 52 139,76
130,12
126,01
14,75
13,24
14,13
13,75
111,23 109,48
115,37
112,77
12,2
12,2
Cápsula N°
Massa de Solo Seco (g) Umidade (%) Umidade Média (%)
C -10
h MOLDAGEM
10.1 10,1
10,1
12,2
Grau de Saturação (%)
0,792 -------Seção do Tubo Piezométrico – a 2 (cm ): 80,08 -------Seção da Amostra – A (cm2): Comprimento – L (cm): 0,0 -------Tempo Inicial – t0 (s): 300 Tempo Final – tf (s): 127,7 126,1 127,7 126,2 127,7 126,4 127,7 126,4 Carga no Tempo Inicial – h0 (cm): 126,1 124,6 126,2 124,7 126,4 124,9 126,9 124,9 Carga no Tempo Final – hf (cm): Coeficiente de Permeabilidade – Kt 3,45 3,27 3,23 3,27 2,8 3,26 1,72 3,26 (cm/s) x10-6: 25 -------Temperatura da Água – T (° C): 0,8874 -------Viscosidade da Água 3,06 2,9 2,82 2,9 2,48 2,9 1,53 2,9 Coeficiente de Permeabilidade Corrigido à 20°C (cm/s):
Tabela: Permeabilidade Carga variável (vertical)
γSmáx = 1,998g/cm³; Hótm= 10,2%; Hhig= 1,95%; γR= 2,661g/cm³; 12
Hsat = 12,2%; μ = 0,8874 g/cm.s; T = 25ºC. Equação do coeficiente de permeabilidade (cm/s) K =
h0 a×L log A × ( t f − t o ) h f x2,3
Índices de vazios (%) e=
( )− γ R
1
γ S
Grau de saturação (%) G=
γr × H SAT e
Utilizando as fórmulas anteriores e os dados da tabela de permeabilidade com carga variável(vertical), obteve-se:
K= 2,69x10-6cm/s G = 97%, e = 33%
Permeabilidade à carga variável horizontal UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERMEABILIDADE - CARGA CAMPINA GRANDE VARIÁVEL
OBRA: BARRAGEM LIMEIRO ÓRGÃO EXECUTOR: TRECHO: JAZIDA JATOBÁ REGISTRO: FURO - 07 AMOSTRA: PROFUNDIDADE: 0,10 – 0,90 SONDAGEM: ESTACA: TIPO DE AMOSTRA – NATURAL ( ) - COMPACTADA ( X ) INTERESSADO: DIÂMETRO DA AMOSTRA (cm): 7,1 ALTURA ENERGIA PROCTOR: NORMAL 6,5 DO CILINDRO (cm): ALTURA DO CORPO DE PROVA (cm): HCI: 12,7 CM OPERADOR:
s(Máx) (g/cm3)=1,998 h(ótima) =10,2 (%) h(higroscópica) =1,95 (%)
Molde N°: 02 Área do Molde – A (cm 2): 78,50 Volume do Molde – V (cm ): 996,95
s MOLDAGEM 1,994 (g/cm3) VERIFICAÇÃO s SATURAÇÃO (g/cm3) Teor de Umidade Moldagem
h MOLDAGEM (%)
10,2
h SATURAÇÃO (%)
12.2
Saturação
Cápsula N°
C -10
C - 31
C - 21
Solo Úmido + Cápsula (g)
137,06 134,64
136,68
AL 14 138,84
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Molde + Solo Úmido – PBh (g): 4576,0 Massa do Molde – P (g): 2392,0 Massa do Solo Úmido Inicial – PhI (g): 2184,0 Massa do Solo Úmido Final – PhF (g): -Massa do Solo Seco Final – PsF (g): Massa Específica Aparente Úmida Inicial - i (g/cm3): 2,191 Massa Específica Aparente Úmida Final - f (g/cm3): -Massa Espec. Apar. do Solo Seco de Moldagem - s(g/cm3): 1,988
Solo Seco + Cápsula 125,81 123,55 (g) 14,58 14,07 Massa da Cápsula (g) 11,25 11,09 Massa de Água (g)
123,36
125,46
15,18
14,52
13,32
13,38
111,23 109,48
108,18
110,94
12,3
12,1
Massa de Solo Seco (g) Umidade (%) Umidade Média (%)
10.1
10,1
10,1
12,2
Grau de Saturação (%)
0,792 -Seção do Tubo Piezométrico – a 2 (cm ): 39,57 -Seção da Amostra – A (cm ): Comprimento – L (cm): 0,0 -Tempo Inicial – t0 (s): 300 Tempo Final – tf (s): 129,5 128,0 Carga no Tempo Inicial – h0 (cm): 128,0 126,7 Carga no Tempo Final – hf (cm): Coeficiente de Permeabilidade – Kt 5,05 4,42 (cm/s)x10-6 : 25 -Temperatura da Água – T (° C): 0,8873 -Viscosidade da Água 4,48 3,92 Coeficiente de Permeabilidade Corrigido à 20°C (cm/s):
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
129,5 128,2 129,5 128,3 129,5 128,3 128,2 126,0 128,3 127,1 128,3 127,1 4,37 7,5 4,03 4,07 4,03 4,07 ----3,88 6,65
--3,57
--3,61
--3,57
--3,61
Tabela: Permeabilidade com carga variável(horizontal) Utiliza-se novamente: γSmáx = 1,998g/cm³; Hótm= 10,2%; Hhig= 1,95%;
γR= 2,661g/cm³; Hsat = 12,2%; μ = 0,8874 g/cm.s; T = 25ºC. E também se aplica as fórmulas do processo de carga variável (vertical). É achado o mesmo grau de saturação ( G) e o mesmo índice de vazios (e), porém o coeficiente de permeabilidade será diferente, calcunlando a partir da tabela de permeabilidade com carga variável (horizontal), obtem-se:
K = 4,16x10-6 cm/s.
Permeabilidade à carga constante
T = 25ºC; t = 60s; A = 41,854 cm²; L = 10,2cm; h = 0,9 ou 1,9cm; V1 = 43cm³; V2 = 90cm3 Equação do coeficiente de permeabilidade (cm/s) 14
K =
V ×L A ×h × t
Com as constantes já encontradas, basta fazer a média e chegamos a esse valor;
K = 0,193cm/s
UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE UNIDADE ACADÊMICA DE ENGENHARIA CIVIL - UAEC OBRA: BARRAGEM LIMEIRO TRECHO: JAZIDA JATOBÁ SONDAGEM: ESTACA: INTERESSADO: ENERGIA PROCTOR: OPERADOR:
Molde N°: Área do Molde – A (cm 2): Volume do Molde – V (cm3 ): Molde + Solo Úmido – PBh (g):
ÓRGÃO EXECUTOR: REGISTRO: AMOSTRA: AREIA MÉDIA PROFUNDIDADE: TIPO DE AMOSTRA – NATURAL ( ) - COMPACTADA ( ) DIÂMETRO DA AMOSTRA - (cm): L (cm): ÀREA DA AMOSTRA (cm²) – 41,854
Teor de Umidade Cápsula N° Solo Úmido + Cápsula Solo Seco + Cápsula
Moldagem
ALTURA –
Saturação
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Massa da Cápsula Massa de Água Massa de Solo Seco Umidade Umidade Média Grau de Saturação
Massa do Molde – P (g): Massa do Solo Úmido Inicial – PhI (g): Massa do Solo Úmido Final – PhF (g): Massa do Solo Seco Final – PsF (g): Massa Específica Aparente Úmida Inicial - i (g/cm3): Massa Específica Aparente Úmida Final - f (g/cm3): Massa Específica Aparente do Solo Seco - s (g/cm3):
Distância entre manômetros: 1 e 2 = 10,2 cm
2 e 3 = _______ cm
1,0 1,0
27,0 27,9 27,0 27,9
DIFERENÇA ENTRE LEITURAS 1e 2e 1e 2 3 3 0,9 0,9
1,0 1,0
27,9 29,8 27,9 29,8
1,9 1,9
TEMPO TEMPO DATA EM EM HORAS MINUTOS
LEITURA NOS MANÔMETROS 1
2
3
1 e 3 = ______ cm
VOLUME COLETADO VAZÃO (cm³)
KT (cm/s)
43 43 90 90
Tabela: Permeabilidade com carga constante 4.1 Discussão
A partir dos resultados obtidos podemos classificar a argila utilizada no ensaio de carga variável como argila siltosa de baixa permeabilidade e a no experimento de carga constante como areia média.
5. CONCLUSÃO Observando-se os valores encontrados para K, pode-se classificar o material ensaiado. O K da carga horizontal é maior, pois o solo compactado apresenta uma estratificação que permite que a água percole pelos vazios no decorrer do tempo com mais facilidade que na posição vertical original.
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Pode-se classificar esse solo como argila siltosa de baixa permeabilidade, ou seja, esse material é adequado para impermeabilizar a base de aterros sanitários, executar a montante de barragens, etc. Pode-se dizer ainda que, devido ao alto teor do grau de saturação, a água remove quase todo o ar existente no solo; e o índice de vazios mostra que o corpo de prova apresenta os grãos de solos em boa conformação por causa do ensaio de compactação realizado inicialmente.
6. Referências Bibliográficas
ABNT-NBR13292 (1999). Permeabilidade de solos granulares à carga constante ABNT-NBR 14545 (2000). Permeabilidade de solos argilosos à carga variável ABNT-NBR 6457 (1986). Preparação de amostras de solo. ABNT-NBR 7181 (1984). Granulometria. Pinto, Carlos de Sousa. Curso Básico de Mecânica dos Solos em 16 Aulas/3ª Edição. São Paulo: Oficina de Textos. http://engenhariacivilfsp.files.wordpress.com/2013/04/aula-7-e-8permeabilidade-dos-solos.pdf (acessado 16/02/2013 as 10:30)
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