Permeabilidade dos Solos: Água e Fluxo

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Disciplina: Mecânica dos Solos I
Professora: Júlia Righi
Curso: Engenharia Civil
5º período
AULA 9 
PERMEABILIDADE DOS SOLOS
Às vezes o engenheiro se defronta com situações em que é
necessário controlar o movimento de água através do solo
e, evidentemente, proporcionar uma proteção contra os efeitos
nocivos deste movimento.
Do ponto de vista prático, a água pode ser considerada
incompressível e sob a ação de altas pressões, pode penetrar
em microfissuras e poros, e exercer pressões elevadas que
levam enormes maciços ao colapso.
Um aspecto importante em qualquer projeto em que se tenha a
presença de água é a necessidade do reconhecimento do
papel que os pequenos detalhes da natureza desempenham.
Assim, não basta apenas realizar verificações matemáticas,
mas também recorrer a julgamentos criteriosos dessas
particularidades, pois elas nem sempre podem ser
suficientemente quantificadas.
O objetivo básico deste capítulo é fornecer as informações
necessárias para o entendimento físico da presença da
água nos solos e para a resolução de problemas que
envolvem percolação de água no solo.
OCORRÊNCIA DE ÁGUA SUBTERRÂNEA
• Segundo CHIOSSI (1989), o interior da Terra, composto de
diferentes rochas, funciona como um vasto reservatório
subterrâneo para a acumulação e circulação das águas que nele
se infiltram.
• As rochas que formam o subsolo da Terra, raras vezes, são
totalmente sólidas e maciças. Elas contêm numerosos vazios (poros
e fraturas) denominados também de interstícios, que variam dentro de
uma larga faixa de dimensões e formas, dando origem aos
aqüíferos.
OCORRÊNCIA DE ÁGUA SUBTERRÂNEA
• Apesar desses interstícios poderem atingir dimensões de uma
caverna em algumas rochas, deve-se notar que a maioria tem
dimensões muito pequenas.
• A água subterrânea é originada predominantemente da infiltração
das águas das chuvas, sendo este processo de infiltração de grande
importância na recarga da água no subsolo.
• A recarga depende do tipo de rocha, cobertura vegetal, topografia,
precipitação e da ocupação do solo.
FENÔMENOS CAPILARES
• A posição do lençol freático no subsolo não é, entretanto, estável,
mas bastante variável.
• Isso representa dizer que, em determinada região, a profundidade do
lençol freático varia segundo as estações do ano.
• Essa variação depende do clima da região, e dessa maneira, nos
períodos de estiagem, a posição do lençol freático sofre
normalmente um abaixamento, ao contrário do período das cheias,
quando essa posição se eleva.
FENÔMENOS CAPILARES
• Em conseqüência da infiltração, a água precipitada sobre a
superfície da terra penetra no subsolo e através da ação da gravidade
sofre um movimento descendente até atingir uma zona onde os
vazios, poros e fraturas se encontram totalmente preenchidos d’água.
• Esta zona é chamada zona saturada ou freática. Essa zona é
separada por uma linha conhecida como nível freático ou lençol
freático, abaixo da qual estará o solo na condição de submersão (se
em condição de água livre).
FENÔMENOS CAPILARES
• Nos solos, por capilaridade, a água se eleva por entre os
interstícios de pequenas dimensões deixados pelas partículas
sólidas, além do nível do lençol freático. A altura alcançada
depende da natureza do solo.
FLUXO DE ÁGUA NOS SOLOS
• A fundamentação teórica para resolução dos problemas de fluxo de
água foi desenvolvida por Forchheimer e difundida por Casagrande
(1937).
• 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.
• De uma forma geral, os conceitos de fluxo de água nos solos são
aplicados nos seguintes problemas:
• Estimativa da vazão de água (perda de água do reservatório da barragem),
através da zona de fluxo;
• Instalação de poços de bombeamento e rebaixamento do lençol freático;
• Problemas de colapso e expansão em solos;
• Dimensionamento de sistemas de drenagem;
• Dimensionamento de “liners” em sistemas de contenção de rejeitos;
• Previsão de recalques diferidos no tempo;
• Estabilidade de taludes;
• Análise da possibilidade da água de infiltração produzir erosão.
• Estabilidade de taludes;
• Dimensionamento de “liners” em sistemas de contenção de rejeitos;
Rejeitos de minerações – estas barragens servem para conter as águas 
provenientes das minerações, a fim de evitar que as substâncias químicas 
invadam os mananciais;
Vista aérea de barragem para rejeitos. Fonte: http://www.lapes.ufrgs.br
Barragem para rejeitos com revestimento de lona. Fonte: http://www.lapes.ufrgs.br
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• Dimensionamento de “liners” em sistemas de aterros sanitários.
O estudo dos fenômenos de fluxo de água em solos
se apoia em três pilares: conservação da energia
(Bernoulli), permeabilidade dos solos (Lei de Darcy)
e conservação da massa. Alguns conceitos sobre os
dois primeiros pontos são aqui abordados:
i- Conservação de Energia:
A água ocupa a maior parte ou a totalidade dos vazios do solo e quando
submetidas a diferenças de potenciais, ela se desloca no seu interior. A
água pode atuar sobre elementos de contenção, obras de terra,
estruturas hidráulicas e pavimentos, gerando condições desfavoráveis à
segurança e à performance destes elementos.
O conceito de energia total de um fluido, formulado por Bernoulli, é
apresentado nas disciplinas de Fenômenos dos Transportes e Mecânica
dos Fluidos. A equação 1.1 apresenta a proposta de Bernoulli para
representar a energia total ou carga total em um ponto do fluido, expressa
em termos de energia/peso.
i- Conservação de Energia:
Para a maioria dos problemas envolvendo fluxo de água nos solos, a
parcela referente à energia cinética pode ser desprezada. Logo a
equação toma a seguinte forma:
ii- Lei de Darcy:
Permeabilidade: 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”.
Importância: O estudo da percolação de água no solo, ou seja, a
permeabilidade, é importante porque intervêm num grande número
de problemas práticos, tais como drenagem, rebaixamento do nível
d’água, cálculo de vazões, análise de recalques, estudo de
estabilidade, etc.
Grau com que isto ocorre ⇒ Expresso por um coeficiente “k” 
maior ou menor.
ii- Lei de Darcy:
A determinação do coeficiente de permeabilidade é feita tendo
em vista a lei experimental de Darcy.
Sua experiência consistiu em percolar água através de uma
amostra de solo de comprimento “L” e área “A”, a partir de
dois reservatórios de nível constante, sendo “h” a diferença de
cota entre ambos. Os resultados indicaram que a velocidade de
percolação V= Q/A é proporcional ao gradiente hidráulico i= h/L
ii- Lei de Darcy:
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Coeficiente de permeabilidade
O valor de k é comumente expresso como um produto de um número
por uma potência negativa de 10.
Exemplo: k = 1,3 x 10-8 cm/seg, valor este, aliás, característico de solos
considerados como impermeáveispara todos os problemas práticos.
Na Figura 1.4 apresentamos, segundo A. Casagrande e R. E. Fadum,
os intervalos de variação de k para os diferentes tipos de solos.
A permeabilidade é uma das propriedades do solo com maior faixa de
variação de valores e é função de diversos fatores, dentre os quais
podemos citar o índice de vazios, temperatura, estrutura do solo e grau de
saturação.
A) Índice de vazios:
A equação de Taylor correlaciona o coeficiente de permeabilidade
com o índice de vazios do solo. Quanto mais fofo o solo, mais
permeável ele é. Conhecido o k para um certo tipo de solo, pode-se
calcular o k para o outro solo pela proporcionalidade da equação
apresentada (mais utilizada para areias).
Fatores que influem na permeabilidade
A) Índice de vazios:
Fatores que influem na permeabilidade
B) Temperatura:
Quanto maior for a temperatura, menor a viscosidade da água e,
portanto, mais facilmente ela escoa pelos vazios do solo com
correspondente aumento do coeficiente de permeabilidade.
Logo, k é inversamente proporcional à viscosidade da água.
Os valores de k são referidos à temperatura de 200C, o que se faz pela
seguinte relação:
Fatores que influem na permeabilidade
B) Temperatura:
Segundo Helmholtz, a viscosidade da água em função da temperatura
é dada pela fórmula empírica:
A figura 1.5 a seguir mostra uma planilha de ensaio, executado em um
solo coletado à 1,50m de profundidade em uma região de Igrejinha –
Juiz de Fora, em área estudada para possível utilização como aterro
sanitário do município.
Fatores que influem na permeabilidade
Fatores que influem na permeabilidade
Figura 1.5 – Exemplo de resultado de ensaio de permeabilidade 
(Solo argilo-arenoso, coletado em Igrejinha – JF). 
Observe os resultados de k obtidos 
em 4 amostras diferentes a 25,4o 
de temperatura e o valor médio 
(dos 4 ensaios) corrigido para 20o ( 
k20º ) igual a 1,24 x 10-3 cm/seg. 
C) Estrutura do solo:
A combinação de forças de atração e repulsão entre as partículas resulta
a estruturas dos solos, que se refere à disposição das partículas na
massa de solo e as forças entre elas. A amostra de solos granulosos
terão permeabilidade maior que amostras de solos finos.
D) Grau de saturação do solo:
O grau de saturação tem uma influencia significativa na
permeabilidade. Quanto maior a saturação maior será a facilidade de
percolação; consequentemente, maior será o coeficiente de
permeabilidade.
Fatores que influem na permeabilidade
A determinação de k pode ser feita: por meio de fórmulas que o
relacionam com a granulometria (por exemplo, a fórmula de Hazen),
no laboratório utilizando-se os “permeâmetros” (de nível constante ou
de nível variável) e in loco pelo chamado “ensaio de bombeamento”
ou pelo ensaio de “tubo aberto”; para as argilas, a permeabilidade se
determina a partir do “ensaio de adensamento”.
Determinação do coeficiente de permeabilidade