5-Permeabilidade

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UNIVERSIDADE FEDEREAL 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): Veruska Escarião D. Monteiro
		Assistente: Netinho				
Estagiário de Docência: Rômulo de Medeiros
Grupo 01: Diogo Clemente do Rêgo		
	Guilherme Araújo Ferreira de Lucena
João Guilherme Quirino Nelo		
Campina Grande, 19 de Fevereiro de 2014
LISTA DE FIGURAS
ÍNDICE
PERMEABILIDADE
INTRODUÇÃO
Justificativa
O ensaio de permeabilidade dos solos é um dos mais importantes para a engenharia geotécnica, já que o mesmo mede a facilidade com que o fluido, no nosso caso a água, escoa pelos vazios do solo, sendo a capacidade do solo de escoar ou impedir o escoamento da água no seu interior uma das características mais importantes para nossas obras.
As obras de engenharia civil são edificadas sobre o solo, sob ele e até mesmo utilizando esse composto como material de construção, daí a importância de se conhecer as diferentes características que os mesmo possuem e poder assim diferenciar os mais diversos tipos de solos baseados em parâmetros que refletem as suas propriedades particulares.
Objetivos
Este trabalho tem como objetivo prescrever os métodos para determinação do coeficiente de permeabilidade a carga constante e variável, com a água percolando através do solo em regime de escoamento laminar. (de acordo com a NBR 13292 e NBR 14545).
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Os solos são constituídos de três fases: sólida, líquida e gasosa. Todos os solos contêm partículas de diferentes tamanhos, que podem ser determinadas e utilizadas para definir as respectivas porcentagens de ocorrência, permitindo descobrir a distribuição granulométrica do solo. Com esta, podemos analisar diversas características dos solos, sendo a permeabilidades uma das mais importantes na análise do solo.
Permeabilidade é a maior ou menor facilidade que as partículas de água encontram para fluir por entre os vazios do solo. Nos materiais granulares não coesivos como areias, por exemplo há uma grande porosidade, o que facilita o fluxo de água através do solo, enquanto que nos materiais finos e coesivos como as argilas, ocorre o inverso, ou seja, o fluxo de água é menor devido a baixa permeabilidade apresentada por este solo.
O estudo de fluxo de água nos solos é de vital importância para o engenheiro, pois a água ao se mover no interior de um maciço de solo exerce em suas partículas sólidas forças que influenciam o estado de tensão do maciço. Os valores de pressão neutra (da água) e com isso os valores de tensão efetiva (na estrutura granular) em cada ponto do maciço são alterados em decorrência de alterações de regime de fluxo. De uma forma geral, os conceitos de fluxo de água nos solos são aplicados nos seguintes problemas:
Análise da influência do fluxo de água sobre a estabilidade geral da massa de solo (estabilidade de taludes); 
Instalação de poços de bombeamento e rebaixamento do lençol freático;
Dimensionamento de sistemas de drenagem; 
Estimativa da vazão de água (perda de água do reservatório da barragem), através da zona de fluxo; 
Previsão de recalques no tempo (adensamento de solos moles baixa permeabilidade); 
Análise da possibilidade da água de infiltração produzir erosão, arraste de material sólido no interior do maciço, etc.
Em 1850, Darcy verificou experimentalmente como os fatores geométricos influenciavam a vazão da água, e expressou a equação:
onde o k representa o coeficiente de permeabilidade, índice que expressa à facilidade ou a dificuldade da água se deslocar por entre vazios de um solo com certa velocidade, e é expresso em m/s. 
Para determinação do coeficiente de permeabilidade, nós fazemos uso do permeâmetro, que é constituído por tubo metálico de plástico ou vidro, onde é colocado o corpo de prova para o ensaio.
Nas figuras abaixo podemos ver um esquema geral de permeâmetros de carga constante e variável.
Figura 01 – Permeâmetro de carga constante
Figura 02 – Permeâmetro de carga variável
MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais
Permeâmetro de carga constante;
Permeâmetro de carga variável;
Pedra porosa;
Papel filtro;
Bomba a vácuo;
Material para compactação;
Mangueira;
Espátula.
Métodos
Cuidados Preliminares
Fez-se o ensaio de compactação usando o projetor normal. Determinou-se, dessa forma, e a umidade higroscópica, , do solo.
Conhecendo-se os dados da etapa anterior, calcula-se a quantidade de solo e de água para a moldagem dos corpos de prova para o ensaio. Determinou-se a massa específica real do solo. Calcula-se para a moldagem dos corpos de prova, para o ensaio.
Exemplo: Para um corpo de prova. Toma-se: Peso do solo úmido, Ph = 2500 g.
Peso do solo seco, Ps:
Peso da água, Pa:
Fez-se a saturação do corpo de prova, através da bomba a vácuo, deixando-se assim durante no mínimo duas horas, para a retirada do ar. Em que o mesmo será substituído por água.
Ensaio de permeabilidade com carga constante
Com todas as válvulas abertas, aguarda-se que as cargas se estabilizem, sem apresentar variações apreciáveis nos níveis de água dos tubos manométricos. Medir e registrar a carga H (diferença dos níveis dos tubos manométricos), a temperatura T, o tempo t e o volume percolado neste tempo Q, com exatidões de 0,1cm, 0,1°C, 1s e 2cm³, respectivamente.
Aumentando-se a carga de 0,5cm em 0,5cm, repetir o procedimento descrito acima de modo a estabelecer adequadamente a região de fluxo laminar, na qual a velocidade (V=q/St) é determinada proporcional ao gradiente hidráulico (i=H/L). Quando houver indicações de que a relação entre a velocidade e o gradiente deixou de ser linear, e o regime não é mais laminar, os incrementos de carga podem ser realizados de 1cm em 1cm, de forma a definir a região onde o fluxo se processa em regime turbulento, caso seja relevante para as condições que ocorrem no campo.
Utilizando-se as coordenadas cartesianas normais e marcando-se em ordenadas V20°C, e em abscissas o valor do gradiente hidráulico (i=H/L), traçar uma reta que melhor se ajuste aos pontos correspondentes ao regime laminar, esta reta deve passar pela origem.
Determinar o coeficiente angular desta reta, que corresponde ao coeficiente de permeabilidade, k20°C.
Determinar a massa específica aparente seca utilizando a formula abaixo:
Onde: 
 Massa especifica aparente seca, em 
Massa do corpo de prova, em g
Massa área da seção transversal do corpo de prova, em cm²
Altura do corpo de prova, em cm
Teor de umidade do corpo de prova, em %
Ensaio de permeabilidade com carga variável
Com as válvulas fechadas, efetuar a montagem do ensaio como esquematicamente mostrada na figura 03.
No ensaio, podem ser utilizados gradientes hidráulicos compreendidos entre 2 e 15, sendo tanto maior o gradiente quanto menor a permeabilidade do corpo-de-prova.
A maior carga hidráulica, por outro lado, não deve ultrapassar o correspondente à metade da pressão confinante efetiva.
Deve ser considerado que gradientes elevados podem provocar carregamento de finos e, principalmente, um adensamento adicional resultante das forças de percolação.
Este último efeito deve ser acusado pela monitoração da altura do corpo-de-prova e pode ser significativo para os solos mais compressíveis, refletindo-se em uma distribuição não uniforme do índice de vazios ao longo do corpo-de-prova.
Abrir as válvulas de entrada e saída. Efetuar medidas das cargas hidráulicas, dos tempos decorridos e de eventuais variações de altura do corpo-de-prova.
Em um recipiente contendo água e colocado ao lado do permeâmetro, efetuar medidas da temperatura.
Prosseguir o ensaio até a obtenção de pelo menos quatro determinações do coeficiente de permeabilidade relativamente próximos, os quais não apresentem tendências evidentes, quer de crescimento, quer de diminuição.
Caso haja ocorridoindicações de um adensamento adicional provocado pelas forças de percolação, fatiar o corpo-de-prova em pelo menos cinco pedaços aproximadamente iguais, identificá-los e efetuar a determinação dos correspondentes teores de umidade, de acordo com a NBR 6457.
Figura 03 - Permeâmetro de carga variável
RESULTADO EXPERIMENTAIS
Cálculo para a moldagem dos corpos de prova
Tornando-se:
Onde,
=peso de água Obs.: 3 camadas e 25 golpes
Carga Variável - Vertical
	
	
	
	
	Molde Nº: 01
	Área do Molde – A (cm2): πd2/4 = 80,08 cm2
	Volume do Molde – V (cm3) = A.hcorpo de prova = 920,90 cm3
	Molde + Solo Úmido – PBh (g): 3825,00 g
	Massa do molde – P (g): 1803,00 g
	Massa do solo úmido inicial – PhI (g): PBh – P = 2022,00 g
	Massa do solo úmido final – PhF (g): -
	Massa do solo seco final – PsF (g): -
	Massa específica aparente úmida inicial – γh = Ph/V = 2,195 g/cm3
	Massa específica aparente úmida final – γf (g/cm3): -
	Massa específica aparente do solo seco de moldagem – γs (g/cm3): 1,994
	Teor de Umidade
	Moldagem
	Saturação
	Cápsula N°
	C - 10
	C - 31
	AL – 47
	AL – 52
	Solo úmido + Cápsula (g)
	137,06
	134,64
	144,25
	139,76
	Solo seco + Cápsula (g)
	125,81
	123,55
	130,12
	126,01
	Massa da Cápsula (g)
	14,58
	14,07
	14,75
	13,24
	Massa de água (g)
	11,25
	11,09
	14,13
	13,75
	Massa de solo seco (g)
	111,23
	109,48
	115,37
	112,77
	Umidade (%)
	10,1
	10,1
	12,2
	12,2
	Umidade média (%)
	10,1
	12,2
	Grau de saturação (%)
	-
	-
	82,00
	82,00
	Seção do Tubo Piezométrico – a (cm2):
	0,792
	0,792
	0,792
	0,792
	0,792
	0,792
	0,792
	0,792
	Seção da Amostra – A (cm2): Comprimento – L (cm):
	80,08
	80,08
	80,08
	80,08
	80,08
	80,08
	80,08
	80,08
	Tempo inicial – t0 (s):
	0,0
	0,0
	0,0
	0,0
	0,0
	0,0
	0,0
	0,0
	Tempo final – tf (s):
	300,0
	300,0
	300,0
	300,0
	300,0
	300,0
	300,0
	300,0
	Carga no tempo inicial – h0 (cm):
	127,7
	126,1
	127,7
	126,2
	127,7
	126,4
	127,7
	126,4
	Carga no tempo final – hf (cm):
	126,1
	124,6
	126,2
	124,7
	126,4
	124,9
	126,9
	124,9
	Coeficiente de Permeabilidade – Kt x10-6 (cm/s):
	3,45
	3,24
	3,23
	3,27
	2,80
	3,26
	1,72
	3,26
	Temperatura da água – T (°C):
	25
	25
	25
	25
	25
	25
	25
	25
	Viscosidade da água -
	0,8874
	0,8874
	0,8874
	0,8874
	0,8874
	0,8874
	0,8874
	0,8874
	Coeficiente de permeabilidade corrigido à 20°C (cm/s): K20°C x 10-6
	3,06
	2,88
	2,87
	2,90
	2,48
	2,89
	1,53
	2,89
Carga Variável - Horizontal
	
	
	
	
	Molde Nº: 02
	Área do Molde – A (cm2): πd2/4 = 78,50 cm2
	Volume do Molde – V (cm3) = A.hcorpo de prova = 996,95 cm3
	Molde + Solo Úmido – PBh (g): 4576,0 g
	Massa do molde – P (g): 2392,0 g
	Massa do solo úmido inicial – PhI (g): PBh – P = 2184,0 g
	Massa do solo úmido final – PhF (g): -
	Massa específica aparente úmida inicial – γh = Ph/V = 2,191 g/cm3
	Massa específica aparente úmida final – γf (g/cm3): -
	Massa específica aparente do solo seco de moldagem – γs (g/cm3): 1,988
	Teor de Umidade
	Moldagem
	Saturação
	Cápsula N°
	C - 10
	C - 31
	C - 21
	AL - 14
	Solo úmido + Cápsula (g)
	137,06
	134,64
	136,68
	138,84
	Solo seco + Cápsula (g)
	125,81
	123,55
	123,36
	125,46
	Massa da Cápsula (g)
	14,58
	14,07
	15,18
	14,52
	Massa de água (g)
	11,25
	11,09
	13,32
	13,38
	Massa de solo seco (g)
	111,23
	109,48
	108,18
	110,94
	Umidade (%)
	10,1
	10,1
	12,3
	12,1
	Umidade média (%)
	10,1
	12,2
	Grau de saturação (%)
	-
	-
	82,00
	82,00
	Seção do Tubo Piezométrico – a (cm2):
	0,792
	0,792
	0,792
	0,792
	0,792
	0,792
	0,792
	0,792
	Seção da Amostra – A (cm2): Comprimento – L (cm):
	39,57
	39,57
	39,57
	39,57
	39,57
	39,57
	39,57
	39,57
	Tempo inicial – t0 (s):
	0,0
	0,0
	0,0
	0,0
	0,0
	0,0
	0,0
	0,0
	Tempo final – tf (s):
	300,0
	300,0
	300,0
	300,0
	300,0
	300,0
	300,0
	300,0
	Carga no tempo inicial – h0 (cm):
	129,5
	128,0
	129,5
	128,2
	129,5
	128,3
	129,5
	128,3
	Carga no tempo final – hf (cm):
	128,0
	126,7
	128,2
	126,0
	128,3
	127,1
	128,3
	127,1
	Coeficiente de Permeabilidade – Kt x10-6 (cm/s):
	5,05
	4,42
	4,37
	7,50
	4,03
	4,07
	4,03
	4,07
	Temperatura da água – T (°C):
	25
	25
	25
	25
	25
	25
	25
	25
	Viscosidade da água -
	0,8873
	0,8873
	0,8873
	0,8873
	0,8873
	0,8873
	0,8873
	0,8873
	Coeficiente de permeabilidade corrigido à 20°C (cm/s): K20°C x 10-6
	4,50
	3,92
	3,88
	6,65
	3,58
	3,61
	3,58
	3,61
Carga Constante
Área da amostra (A) = 41,854 cm2
Distância entre os manômetros (L) = 10,2 cm
	Tempo em minutos
	Leitura nos Manômetros
	Diferença entre leituras
	Volume Coletado
(cm3)
	Kt (cm/s)
	
	1
	2
	1 e 2
	
	
	1,0
	27,0
	27,9
	0,9
	43
	0,194
	1,0
	27,0
	27,9
	0,9
	43
	0,194
	1,0
	27,9
	29,8
	1,9
	90
	0,194
	1,0
	27,9
	29,8
	1,9
	90
	0,194
Coeficiente de permeabilidade médio (20°C) = 0,194 cm/s.
CONCLUSÕES
Do ensaio realizado, pode-se notar que o solo apresenta maior permeabilidade no sentido horizontal. Os valores encontrados no ensaio de carga variável se enquadram numa faixa de permeabilidade de um solo argiloso, como previsto pelo experimento. Na carga constante foi encontrado um coeficiente de permeabilidade na faixa de 10-1 que indica que a mostra trabalhada é uma areia. Pode-se observar ainda que devido à estratificação do solo, os valores de k são diferentes independentemente da direção em que foi realizada o ensaio.
Pode-se justificar alguns distúrbios dos valores reais, já que a preparação do corpo de prova não foi realizada durante o experimento, encontrando-se já preparada no laboratório, como também o curto espaço de tempo disponível para a realização dos ensaios, já que se tratava de um ensaio que precisaria de um maior tempo para obtenção de resultados que se adequassem melhor aos da literatura.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, NBR 7181. SOLO – ANÁLISE GRANULOMÉTRICA. 1984.
LUCENA, Adriano Elísio de Figueiredo Lopes. Notas de Aula: Mecânica dos Solos. UFCG.
PINTO, Carlos de Sousa. Curso Básico de Mecânica dos Solos em 16 Aulas. São Paulo: Oficina de Textos, 2000-02-15.
ABNT- ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, NBR 6457. Amostras de solo-Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização. Rio de Janeiro, 1986.