01 Permeabilidade Aula 1

Permeabilidade Permeabilidade: • Propriedade que o solo apresenta de permitir o escoamento de um fluido através dele; • Grau de permeabilidade do solo pode ser expresso pelo coeficiente de permeabilidade (k). Importância na Engenharia: • Cálculo de vazões; • Quantidade de água que infiltra numa escavação; • Drenagem; • Rebaixamento do nível d’água; • Análise de recalques; • Estudo de estabilidade.

1

Permeabilidade Lei de Darcy: • A água flui através do solo sob a ação de gradientes de carga hidráulica; • Caso ideal: fluxo permanente e líquido não viscoso; NA

v yw

Q yw

=

=

k yw

k yw

∂h ∂y

uw h= y+ γw

∆h A∆t ∆L

∆h

NA

∆L

2

Permeabilidade Lei de Darcy (cont.): • Q = vazão; • A = área do permeâmetro; • k = coeficiente de permeabilidade; • h = carga hidráulica; • L = distância ao longo da qual se está tomando uma variação de carga hidráulica.

3

Permeabilidade Permeâmetro: σ, uw z

L

(z + L)γw zγw + Lγnat

Situação sem fluxo (hidrostática)

4

Permeabilidade Valores típicos de k: GRAU DE PERMEABILIDADE Alto

TIPO DE SOLO Pedregulho

K A 20oC (cm/s) > 10-1

Médio

Areia grossa

10-1

Médio

Areia média

10-2

Médio

Areia fina

10-3

Médio

Areia argilosa

10-5

Baixo

Silte

10-4 a 10-7

Baixo

Argila

10-3 a 10-5

Muito Baixo

Argila

10-5 a 10-7

Baixíssimo

Argila

< 10-7

OBS: Bentonita k = 10

-11

5

Permeabilidade Fatores que interferem na permeabilidade: • Tamanho, arranjo e forma dos grãos; • Estado do solo; • Grau de saturação; • Estrutura; • Anisotropia; • Densidade, viscosidade e temperatura do fluido percolante. 6

Permeabilidade Velocidade de descarga x Velocidade real da água: A B vf

Q = Av = Avazios vreal

Af

vreal = v C D

A Avazios

=

v n

v A 7

Permeabilidade Métodos para medir a permeabilidade:

Métodos Indiretos

A partir da curva granulométrica A partir do ensaio de adensamento Permeâmetro de carga constante

Métodos Diretos

Permeâmetro de carga variável Ensaios “in situ” 8

Permeabilidade Permeâmetro de carga constante: • Indicado para solos com elevada

NA

permeabilidade; • NBR 13292 – Solo –

h

L

Determinação do coeficiente de permeabilidade de solos

NA

granulares à carga constante. 9

Permeabilidade Permeâmetro de carga constante (cont.): •

Requisitos: – Escoamento laminar; – Solos: no máximo 10%, em massa, de material passante na peneira de 0,075 mm (i.e., máximo de 10% de silte e argila); – Saturação completa do corpo de prova (difícil); – Escoamento em regime permanente; – Existência de proporcionalidade direta entre fluxo e gradientes hidráulicos.

•

Dificuldades: – Montagem do corpo de prova; – Impermeabilização da área do CP.

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Permeabilidade Permeâmetro de carga constante (cont.): • Aparelhagem: 1. Permeâmetro – – –

Existem 2 tipos; Diâmetro interno: 8 a 12 vezes a dimensão máxima dos grãos; Altura útil: 1,5 a 2 vezes o diâmetro interno;

Dimensões dos maiores grãos presentes na amostra (mm) Inferior a 9,5 Entre 9,5 e 19,0

Diâmetro interno mínimo do permeâmetro (mm) Menos que 35% retidos na peneira de 2 mm

9,5 mm

1 -

150

Mais que 35% retidos na peneira de 2 mm 120 -

9,5 mm 230

11

Permeabilidade

Permeâmetro Tipo 1

12

Permeabilidade

13

Permeâmetro Tipo 2

Permeabilidade Permeâmetro de carga constante (cont.): • Aparelhagem (cont.): – Permeâmetro (cont.)

14

Permeabilidade

15

Permeabilidade Permeâmetro de carga constante (cont.): •

Aparelhagem (cont.): 1. Permeâmetro (cont.) –

Disco perfurado ou tela colocado na base com permeabilidade superior a do CP e com abertura pequena para evitar a passagem de partículas;

–

Saída para os manômetros (determinação da perda de carga);

–

Disco perfurado ou tela colocado no topo do CP. 16

Permeabilidade Permeâmetro de carga constante (cont.): •

Aparelhagem (cont.): 1. Reservatório com filtro –

Para manter a carga constante;

–

Dever ter uma camada de areia fina (filtro) para retenção do ar contido na água.

4. Funil –

Usado para verter o material no permeâmetro;

–

φ funil = 13 mm, se φ grãos > 2,0 mm;

–

φ funil = 25 mm, se φ grãos > 9,5 mm. 17

Permeabilidade Permeâmetro de carga constante (cont.): •

Aparelhagem (cont.): 1. Equipamentos para compactação –

Sapata metálica.

3. Bomba de vácuo –

Para remoção do ar e saturação do CP.

5. Tubos manométricos –

Com escala graduada em mm;

–

Medição das cargas hidráulicas. 18

Permeabilidade Permeâmetro de carga constante (cont.): •

Aparelhagem (cont.): 1. Balanças 2. Barra de calibração 3. Peneiras –

19,0 mm, 9,5 mm, 2 mm e 0,075 mm.

5. Outros –

Termômetro, cronômetro, proveta de vidro ... 19

Permeabilidade Permeâmetro de carga constante (cont.): •

Preparação e formação do CP: –

Material passante na peneira de 19,0 mm;

–

Medir o diâmetro do permeâmetro e com o paquímetro e calcular a área da seção transversal interna;

–

Medir a altura do permeâmetro com o paquímetro;

–

Determinar a w do solo;

–

Pesar o solo;

–

Depositar o solo (funil ou concha) no permeâmetro em camadas com espessura final de no máximo 2 cm; •

–

Cuidado com segregação (ver recomendações da norma) Compactar o solo na condição desejada; 20

Permeabilidade Permeâmetro de carga constante (cont.): •

Tipos de compacidade relativa: –

Próxima de zero: depositar com funil ou concha sem compactar e sem queda;

–

Próxima de 100%: sapata vibratória, peso deslizante ou equipamento de vibração externo;

–

Entre zero e 100%: por tentativa.

e max −e GC = × 100 (%) emax − emin 21

Permeabilidade a

Permeâmetro de carga variável:

dh

• Indicado para solos com baixa permeabilidade; • NBR 14545 – Solo – Determinação do coeficiente de

hi

h hf

L

permeabilidade de solos argilosos à carga variável.

NA

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Permeabilidade Permeâmetro de carga variável (cont.): • Requisitos: – Escoamento laminar; – Solos: amostras indeformadas ou compactadas com permeabilidade inferior a 10-5 m/s. – Saturação completa do corpo de prova (difícil); – Escoamento em regime permanente; – Existência de proporcionalidade direta entre fluxo e gradientes hidráulicos.

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Permeabilidade Permeâmetro de carga variável (cont.): •

Aparelhagem :

3.

Método A (trata-se de um Triaxial) –

Sistema para aplicação e medição da cargas hidráulicas: •

Reservatório de água;

•

Bureta;

•

Mangueiras;

•

Conexões;

•

Válvulas. 24

Permeabilidade Permeâmetro de carga variável (cont.): •

Aparelhagem (cont.):

3.

Método A (cont.) –

Sistema de aplicação de contrapressão: •

Ar comprimido;

•

Necessário para a saturação do CP (k decresce com o aumento da quantidade de ar presente no material);

• –

Ensaio mais controlado.

Sistema de medição de pressão neutra: •

Manômetros ou medidores eletrônicos.

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Permeabilidade Permeâmetro de carga variável (cont.): •

Aparelhagem (cont.):

3.

Método A (cont.) –

–

Sistema de pressurização da câmara: •

Aplicação da pressão confinante;

•

Dispositivo de leitura (medição e controle).

Câmara do permeâmetro: •

CP;

•

Pedras porosas;

•

Membrana de borracha.

26

Permeabilidade

Método A

27

Permeabilidade Permeâmetro de carga variável (cont.): •

Aparelhagem (cont.):

3.

Método B –

Sistema para aplicação e medição das cargas hidráulicas: •

–

Bureta de vidro graduada em centésimo de milímetro.

Permeâmetro: •

Cilindro metálico (h = 13 cm e d = 15 cm);

•

Tampa inferior e superior;

•

Anéis de borracha;

•

Recipiente com água. 28

Permeabilidade Permeâmetro de carga variável (cont.): •

Aparelhagem (cont.):

3.

Método B (cont.) –

Materiais diversos: •

Argila plástica: tipo bentonítica para vedação do espaço entre o CP e a parede do permeâmetro (w entre wL e w P);

•

Areia grossa: material de filtro no topo e na base.

29

Permeabilidade

Método B

30

Permeabilidade Permeâmetro de carga variável (cont.):

31

Permeabilidade

MÉTODO A

32

Permeabilidade

MÉTODO B

33

Permeabilidade Permeâmetro de carga variável (cont.): •

Aparelhagem (cont.):

3.

Aparelhagem de Uso Geral –

Equipamento para compactação;

–

Extrator de amostra: para o caso de amostras indeformadas;

–

Equipamentos para talhagem: torno, estilete, faca e régua metálica;

–

Instrumentos para medição do CP: paquímetro (0,02 mm);

–

Balanças;

–

Outros: termômetros, cronômetro, bomba de vácuo ...

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Permeabilidade Permeâmetro de carga variável (cont.): •

Água Percolante: –

Método A: água percolante no CP = água usada na aplicação da contrapressão;

–

Tipo de água: informada pelo solicitante (água da obra) ou água da torneira;

–

Papel filtro: para filtrar partículas sólidas que possam existir na água;

–

Cuidados especiais: •

Interações químicas;

•

Não usar água destilada. 35

Permeabilidade Permeâmetro de carga variável (cont.): •

Água Percolante (cont.): –

•

Como obter água deaerada: •

Fervura;

•

Vácuo;

•

Agitação.

Preparação dos CP: –

Dimensões mínimas: •

Método A: hmin e φ min = 3,5 cm;

•

Método B: hmin e φ min = 10,0 cm, com lateral revestida com parafina líquida;

•

Pode CP irregular?

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Permeabilidade Permeâmetro de carga variável (cont.): • Tipos de CP: –

–

Compactado: •

Remover grãos de areia e pedregulho (maior que 2 mm);

•

Determinar w, acrescentar água ou secar (wensaio – wdesejada ≤1%);

•

Para o caso de adicionar água: cura de 24h;

•

Após a moldagem, determinar as dimensões do CP e sua massa.

Indeformado: •

Talhar o CP nas dimensões desejadas;

•

Determinar w;

•

Determinar suas dimensões e sua massa.

37

Permeabilidade Permeabilidade em terrenos estratificados: • Devido à estratificação do solo, os valores de k são diferentes nas direções horizontal e vertical; Vertical e1 e2 e3

k3

kh =

v1

k1 k2

Horizontal

v

v2 v3

kh kv

kv =

∑ k i ei ∑ ei ∑ ei

∑ ( ei / k i ) 38