Ação da Água Capilar no Solo

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Ação da água capilar no solo
Revisão dos conceitos de tensão superficial e de capilaridade
 
Como visto na Aula 1, uma das características da água é o fato de ela apresentar um comportamento diferenciado na superfície em contato com o ar, em virtude da orientação das moléculas que nela se posicionam, ao contrário do que ocorre no interior da massa, onde as moléculas estão envoltas por outras moléculas de água em todas as direções, como indicado na Fig. 5.7(a). Em consequência, a água apresenta uma tensão superficial, que é associada, por analogia, a uma tensão de membrana, pois os seus efeitos são semelhantes. 
Quando a água, ou outro liquido, fica em contato com um corpo sólido, as forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água forme uma curvatura que depende do tipo de material e de seu grau de limpeza. No caso de vidro limpo, a superfície curva fica tangente à superfície do vidro, como se mostra na Fig. 5.7(b).
Deve-se recordar que, quando uma membrana flexível se apresenta com uma superfície curva, deve existir uma diferença de pressão atuando nos dois lados da membrana. Isso ocorre também no caso da superfície água-ar, em virtude da tensão superficial. Como sugere a Fig. 5.7(c), a diferença entre as tensões nos dois lados é equilibrada pela resultante da tensão superficial. Da figura, conclui-se, qualitativamente, que a pressão interna é maior do que a externa. Quanto maior a curvatura, maior a diferença entre as pressões. Conhecida a geometria e a tensão superficial do liquido, é possível calcular essa diferença.
Um bom exemplo do efeito dessas propriedades é o comportamento da água em tubos capilares. Quando o tubo é colocado em contato com a superfície livre da água, esta sobe pelo tubo até atingir uma posição de equilíbrio. A subida da água resulta do contato vidro-água-ar e da tensão superficial da água.
A superfície da água no tubo capilar é curva (esférica se o tubo for cilíndrico), e intercepta as paredes do tubo com um ângulo que depende das propriedades do material do tubo. No caso de água e vidro limpo, o ângulo é nulo.
A altura da ascensão capilar pode ser determinada igualando-se o peso da água no tubo com a resultante da tensão superficial que a mantém na posição acima do nível d'água livre. (Vide fig. 5.8)
 
O peso da água num tubo com raio r e altura de ascensão capilar hc é:
Ao considerar-se a tensão superficial T atuando em toda a superfície de contato água-tubo, a força resultante é igual a:
Ao igualar-se as expressões, tem-se:
A altura de ascensão capilar é, portanto, inversamente proporcional ao raio do tubo.
A tensão superficial da água, a 20ºC, é de 0,073 N/ m2. Pela equação acima, conclui-se que, em tubos com 1mm de diâmetro, a altura de ascensão é de 3 cm. Para O,1 mm, 30 cm; para 0,01 mm, 3 m etc.
Pressões na água em meniscos capilares
Considerem-se as pressões na água ao longo de um tubo capilar, com o auxílio da Fig. 5.8. No ponto A, a pressão é igual à pressão atmosférica. Nos pontos B e C, a pressão é acrescida do peso da água (peso específico da água vezes a profundidade). No ponto D, a pressão é novamente igual à pressão atmosférica. Logo, no ponto E, a pressão é igual à pressão atmosférica menos a altura desse ponto em relação à superfície da água vezes o peso específico da água. O ar, no ponto F, imediatamente acima do menisco capilar, está na pressão atmosférica. A diferença de pressão entre os pontos E e F é suportada pela tensão superficial da água.
À primeira vista, causa estranheza o fato de a água se encontrarem estado de tensão e tração, pois se está familiarizado a encontrá-la quase sempre na pressão atmosférica ou sob pressão positiva. Tem-se a impressão de que a água o resiste à pressão negativa, o que não é verdade. Deve-se recordar, primeiramente, que a água, como todos os corpos na superfície terrestre, estão submetida à pressão atmosférica, tomada como referência para as medidas de pressão na Engenharia. Trabalha-se com pressões relativas, que são as pressões absolutas menos a pressão atmosférica. Quando se afirma que a pressão da água é negativa, se esta pressão não for maior, em valor absoluto, do gue a pressão atmosférica, que é da ordem de 100 kPa, as moléculas de água ainda estão sob pressão de compressão.
Para se sentir a água sob pressão negativa, pode-se recorrer a uma seringa de injeção. Com a extremidade aberta, o pistão se desloca com pegueno esforço, aspirando ou expelindo tanto ar como água. Quando se enche a seringa com água até umcerto volume e se fecha sua extremidade, percebe-se que o pistão não se desloca guando se quer puxá-lo. Que força se contrapõe a esse esforço? J ustamente a resistência da água à pressão de tração a gue está submetida.
Medida em altura de coluna d'água, a tensão na água logo abaixo do menisco capilar é negativa e igual à altura de ascensão capilar. .Ao longo do tubo, a variação é linear.
A pressão na água logo abaixo do menisco capilar também pode ser calculada diretamente a partir da tensão superficial da água, segundo o esguema mostrado na Fig. 5.7(c).
Da mesma forma que nos tubos capilares, a água nos vazios do solo, na faixa acima do lençol freático, com ele comunicada, está sob uma pressão abaixo da pressão atmosférica. A pressão neutra é negativa.
Conforme o conceito de tensão efetiva, se u for negativo, a tensão efetiva será maior do que a tensão total. A pressão neutra negativa provoca uma maior força nos contatos dos grãos e aumenta a tensão efetiva gue reflete essas forças. O fenômeno é semelhante ao que se nota quando se quer separar duas placas de vidro, havendo u ma delgada lâmina d'água entre elas. A separação requer muito esforço, justamente pelo efeito da tensão superficial que provoca uma pressão negativa na água entre as duas placas.
No exemplo apresentado na Fig. 5.6, considerou-se que o solo acima do nível d'água estava totalmente seco. Neste caso, os vazios estavam com ar na pressão atmosférica. A pressão neutra era nula, e a tensão efetiva era igual à tensão total, variando de zero na superfície a 19 kN/ m2 a 1 m de profundidade.
O solo superficial nesse exemplo é uma areia fina, cuja altura de ascensão capilar deve ser superior a 1m. Desta forma, a água deve subir por capilaridade e toda a faixa superior poderá estar saturada, com água em estado capilar.
O diagrama de tensões, nesse caso,deve ser refeito,como se mostra na Fig. 5.9. 
A pressão neutra varia linearmente, de zero, na cota do nível d'água, até o valor negativo na superfície, correspondente à diferença de cota.
Note-se que, nesse caso, em confronto com a hjpótese de que a camada superior de 1 m estivesse seca, a tensão efetiva passa a ser de 1O kN/ m2 e não nula. Como a resistência das areias é diretamente proporcional à tensão efetiva, a capilaridade confere a esse terreno uma sensível resistência.
A água livre não pode suportar tensões de tração superiores a uma atmosfera (aproximadamente 100 kN/m2, que corresponde a 10 m de coluna d'água), pois ocorre cavitação. Experimentalmente, comprova-se que em meniscos capilares as pressões podem ser muito maiores. Daí a existência de alturas de ascensão capilar superiores a 1O m.
A água capilar nos solos
Os vazios dos solos são muito pequenos, tão pequenos que podem ser associados a tubos capilares, ainda que muito irregulares e interconectados.
A situação da água capilar no solo depende do histórico do deposito. O grau de saturaçoa em função a altura sobre o nível de água pode apresentar um dos perfis esquemáticos indicados na Fig. 5.10.
Quando u m solo seco é colocado em contato com a água, esta é sugada para o interior do solo. A altura que a água atingirá no interior do solo depende do diâmetro dos vazios. Existe uma altura máxima de ascensão capilar, indicada pelo ponto A na Fig. 5.1O, que depende da ordem de grandeza dos vazios, a qual, por sua vez, depende do tamanho das partículas. Essa altura é variávelcom o tipo de solo: alguns poucos centímetros no caso de pedregulhos, 1 a 2 m no caso das areias, 3 a 4 m para os siltes e dezenas de metros para as argilas. Os vazios do solo são de dimensões muito irregulares e certamente, duras n te o processo de ascensão, bolhas de ar ficam enclausuradas no interior do solo. Até certa altura indicada pelo ponto B, o grau de saturação é aproximadamente constante, ainda que não seja atingida total saturação.
Considere-se, por outro lado, um solo que esteja originalmente abaixo do nível d'água e totalmente saturado. Se o nível for rebaixado, a água dos vazios tenderá a descer. A essa tendência, contrapõe-se a tensão superficial, formando meruscos capilares. Se o nível d'água baixar mais do que a altura de ascensão capilar correspondente (mais do que a tensão superficial é capaz de sustentar), a coluna de água se rompe, e parte da água, acima dessa cota, fica nos contatos entre as partículas. Ao foxar-se a cota d'água no nível inferior indicado, até uma certa altura, ponto C, o solo permanecerá saturado. Do ponto C ao ponto D, a água estará em canais contínuos comunicados com o lençol freático. Acima do ponto D, a água retida nos contatos entre os grãos não constitui mais um filme contínuo de água.
A situação da água acima do lençol freático dependerá, portanto, da evolução anterior do nível cio lençol. De qualquer forma, existirá uma faixa ele solo, correspondente a uma certa altura, em que a água dos vazios estará em contato com o lençol freático e sua pressão negativa será determinada pela cota em relação ao nível d'água livre. Eventualmente, acima dela, ocorrerá área nos vazios, alojada nos contatos entre partículas , mas isolada do lençol.
Meniscos capilares independentes do nível d'água
A água dos solos que não se comunica com o lençol freático situa-se nos contatos entre os grãos e forma meniscos capilares, como mostra esquematicamente a Fig. 5.11. Quando existe um menisco capilar, a água se encontra numa pressão abaixo da pressão atmosférica. Da tensão superficial T da água surge uma força P que aproxima as partículas.
A tensão superficial da água tende a aproximar as partículas, ou seja, aumenta a tensão efetiva no solo que, conforme foi conceituada, é a resultante das forças que se transmitem de grão a grão. Essa tensão efetiva confere ao solo uma coesão aparente, como a que permite· a moldagem de esculturas com as areias da praia. "Aparente" porque não permanece se o solo se saturar ou secar.
A coesão aparente é frequentemente referida às areias, pois estas podem se saturar ou secar com facilidade. Nas argilas ela atinge valores maiores e é mais impor tante. Muitos taludes permanecem estáveis devido a ela. Chuvas intensas podem reduzir ou eliminar a coesão aparente, razão pela qual rupturas de encostas e de escavações ocorrem com muita frequência em épocas chuvosas.