Kathia Cecília López Supo Desenvolvimento de ... Sensor de Pressão 62 3.5.1.1. Cabos elétricos e...

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Kathia Cecília López Supo

Desenvolvimento de Permeâmetro de vazão constante de campo

Dissertação de Mestrado

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio.

Orientador: Prof. José Tavares Araruna Júnior.

Rio de Janeiro, 07 de novembro de 2008

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PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0621515/CA

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Desenvolvimento de Permeâmetro de vazão constante de campo

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.

Prof. José Tavares Araruna Junior Presidente/Orientador

PUC - Rio

Prof. Fernando Antonio M. Marinho USP

Prof. George de Paula Bernardes UNESP

Prof. Sergio Tibana UENF

Prof. José Eugênio Leal Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico - PUC-Rio

Rio de Janeiro, 07 de novembro de 2008

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Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador.

Kathia Cecília López Supo Graduou-se em Engenharia Civil, pela Universidad Ricardo Palma (Lima-Perú) em 2004. Trabalhou na área de projetos, construção e supervisão de obras de Mineração. Ingressou em 2006-II no curso de mestrado em Engenharia Civil da Pontifícia Universidade Católica de Rio de Janeiro, na área de Geotecnia, desenvolvendo dissertação de mestrado na linha de pesquisa Geotecnia Experimental.

Ficha Catalográfica


Supo, Kathia Cecília López

Desenvolvimento de Permeâmetro de vazão constante de campo / Kathia Cecília López Supo; orientador: Jose Tavares Araruna Junior. – 2008. v., 92. : il. ; 29,7 cm Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil)–Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2008. Inclui referências bibliográficas 1. Engenharia civil – Teses. 2. Permeâmetro. 3. Desenvolvimento do Permeâmetro de Cravação. 4. Avaliação e desempenho do Permeâmetro de Cravação. 5. Conclusões e Sugestões. I. Araruna, Jose Tavares. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título.

CDD 624

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A meus queridos pais, Felipe López e Erenia Supo. Ao Emerson Figueroa por ter me dado a felicidade.

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Agradecimentos

Agradeço a Deus por estar sempre quando mais o necessite, e por todas as graças

recebidas.

Ao Professor José Araruna, pela orientação, amizade e ajuda para o

desenvolvimento desta pesquisa.

Ao Patrício pela amizade e a ajuda brindada em todo momento para levar a fim

esta pesquisa.

Ao os meus queridos pais Felipe e Erenia pelo grande apoio, confiança e amor,

graças por acreditar nos meus sonhos e pela ajuda para lograr meus objetivos.

Agradeço ao Emerson meu esposo, por tudo o apoio, compreensão e por ter sido

minha fonte de inspiração e motivação.

As minhas irmãs, Angélica, Patrícia e Carolina, pelo apoio e confiança.

Aos meus queridos sobrinhos, Luciana, Oliver e Samantha

Aos meus sogros Benito e Domitila, pelo apoio e ajuda para lograr este objetivo.

Aos Professores do curso de mestrado da PUC-Rio, pelos conhecimentos

transmitidos.

A todos os amigos e companheiros de estudos de Engenharia Civil da PUC-Rio, e

de maneira muito especial as minhas queridas amigas Gladys, Carmen e Gricel,

pelos momentos compartidos que sempre estarão guardados na minha memória.

A meus amigos David e Gustavo pelo apoio e amizade brindada durante estes

anos.

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Aos funcionários do ITUC, Marquez, Braiz e Paulo pela amizade dispensada e a

grande ajuda na confecção da sonda.

Aos funcionários do laboratório de Geotecnia, William, Davis e Amaury, pela

ajuda e assistência dispensada.

À CAPES pela ajuda financeira indispensável ao desenvolvimento deste trabalho.

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Resumo Kathia Cecília López Supo, José Tavares Araruna Junior. Desenvolvimento de Permeâmetro de vazão constante de campo. Rio de Janeiro, 2008. 92p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

A presente dissertação descreve o desenvolvimento de um equipamento

destinado a determinar a condutividade hidráulica de meios porosos saturados in

situ. O permeâmetro consiste em uma sonda que emprega o método da vazão

constante. Após sua inserção pelo modo de cravação. Uma bomba de seringa

instalada na superfície do terreno é utilizada para aplicar uma vazão constante

enquanto que a carga hidráulica induzida no meio é medida através de um

transdutor de pressão piezoresistivo instalado no corpo da sonda. O equipamento

permite o escoamento das linhas de drenagem e de medição de carga hidráulica a

partir da superfície possibilitando a saturação do meio poroso após a cravação da

sonda bem como minimiza as incertezas associadas à medição de pressão. Esta

última é alcançada através de um transdutor diferencial de pressão com uma faixa

de trabalho de 10kPa que possibilita medições de poropressões bem próximas a

zona de injeção. Esta característica permite a realização de ensaios num tempo

curto e minimiza o problema de compatibilidade de fluidos decorrente do

processo de injeção.

Palavras-chave Permeâmetro, condutividade hidráulica.

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Abstract Kathia Cecília López Supo, José Tavares Araruna Junior. Development of a constant rate of flow field permeameter. Rio de Janeiro, 2008. 92p. M.Sc. Dissertation - Department of Civil Engineering, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

This thesis describes a piece of equipment developed to determine the

hydraulic conductivity of saturated porous media. The permeameter consists of a

pushed in probe and employs the constant flow rate method. A syringe pump

installed on the surface is used to develop a constant rate of flow whereas a

piezoelectric transducer installed in the probe´s body measures the induced

change in hydraulic head. The great innovation in this device consists on its

ability of saturating all of its drainage lines allowing the media to be saturated and

minimizing the errors of pressure measurements. Pressure measurement is carried

out using a 10kPa differential pressure transducer that enables porepressure to be

measured close to the injection zone. This characteristic enables shorter tests to be

carried out and minimize problems associated to fluid compability

keywords Permeameter, hydraulic conductivity.

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Sumário

1 Introdução 17

2 Permeâmetro 19

2.1. Tipo de Permeâmetro 19

2.1.1. Permeâmetro de Guelph 19

2.1.1.1. Descrição do ensaio com o Permeâmetro de Guelph 20

2.1.2. Ensaio de Lefranc 23

2.1.3. Slug Test 26

2.1.3.1. Descrição do Slug Test 26

2.1.3.1.1. Método de Hvorslev 31

2.1.3.1.2. Método de Bouwer e Rice 33

2.2. Equipamentos cravados 36

2.2.1. Piezocone 36

2.2.2. Permeâmetro Cravado (DPP) 44

2.2.2.1. Considerações sobre o Emprego do Permeâmetro Cravado 46

3 Desenvolvimento do Permeâmetro 48

3.1. Características do material de confecção 49

3.1.1. Aço Inox 49

3.2. Projeto do permeâmetro 50

3.3. construção do permeâmetro 51

3.4. Detalhes das peças constituintes 56

3.4.1. Ponta cônica 56

3.4.2. Portas de Drenagem 57

3.4.3. Base do Permeâmetro 58

3.4.4. Placas Porosas 60

3.5. Dispositivos de medição empregados 62

3.5.1. Sensor de Pressão 62

3.5.1.1. Cabos elétricos e convenção de cores 63

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3.5.2. Calibração do transdutor Diferencial 64

3.5.3. Bomba de injeção 66

3.5.4. Calibração do Transdutor de Deslocamento 67

3.6. Aquisição de sinais 68

4 Avaliação do Desempenho do Permeâmetro Cravado 69

4.1. Procedimento do ensaio 69

4.2. Programa Experimental 71

4.2.1. Ensaios de laboratório 72

4.2.1.1. Resultados dos ensaios de laboratório 72

4.2.2. Ensaios no campo experimental II PUC-RIO 75

4.2.2.1. Resultados dos ensaios realizados no campo experimental 75

5 Conclusões 79

6 Sugestões 81

7 Referências Bibliográficas 83

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Lista de figures

Figura 2.1- Permeâmetro de Guelph sendo empregado em um estudo

hidrogeológico em Santos Dumont (MG) 20

Figura 2.2- Esquema do Ensaio de Lefranc (Puertos del Estado,1994) 23

Figura 2.3- Proposta de dispositivo de Custodio (1983) 25

Figura 2.4- Detalhe de um ensaio slug test realizado em uma campanha

hidrogeológica em São Paulo 26

Figura 2.5- Slug Test, Weight e Wittman 27

Figura 2.6- Slug In, subida inicial e medidas de descensos da água Navfac,

1981. 28

Figura 2.7- Slug Out, descenso inicial e medidas de subidas da água

(Navfac, 1981). 28

Figura 2.8 - Método pneumático proposto por McLane et al. (apud, Butler

2007) 30

Figura 2.9- Poço e Piezômetro, Método de Hvorlev (1949) 32

Figura 2.10- Esquema do ensaio de slug test, método de Bouwer e Rice

(1967) 33

Figura 2.11- Parâmetros adimensionais A, B, C, Bouwer 35

Figura 2.12- Cargas numa perfuração como uma função de forma do tempo

da reta de melhor ajuste durante a parte inicial do teste, mas eventualmente

devidamente frente à reta ajusta. Bouwer 35

Figura 2.13- Desenho esquemático de CPTU (Davies e Campanella, 1995)

37

Figura 2.14 – Sistema de cravação 39

Figura 2.15– Sistema de cravação montando em um caminhão 39

Figura 2.16 – Aquisição automática dos parâmetros de interesse 40

Figura 2.17 – Piezocone com medição de poropressão na posição U2 41

Figura 2.18 Gráfico de dissipação de poropressões segundo a posição da

pedra porosa, P.W.Mayne, 2002. 42

Figura 2.19- posições as pedra porosa U1 e U2. 42

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Figura 2.20- Representação esquemática do permeâmetro cravado (Dietrich

et al., 2007) 44

Figura 2.21 – Gráfico típico de um ensaio de vazão constante (Butler et

al.,2007) 46

Figura 3.1 – Permeâmetro da Geoprobe Systems 49

Figura 3.2 Detalhe da posição do transdutor 50

Figura 3.3 Dimensões do Permeâmetro de cravação 52

Figura 3.4 Detalhe da ponta cônica de 30º do Permeâmetro de cravação.51

Figura 3.5 Diagrama esquemático do permeâmetro de cravação 52

Figura 3.6 Detalhe das partes constituintes do Permeâmetro de cravação52

Figura 3.7 Detalhe da perfuração do furo longitudinal para dar acesso a

transdutor de pressões 53

Figura 3.8 Detalhe do furo onde é colocado o transdutor diferencial 53

Figura 3.9 Perfuração do anel complementar 54

Figura 3.10 Perfuração do anel complementar 54

Figura 3.11 detalhe da placa porosa posição 9 54

Figura 3.12 Detalhe dos parafusos e do furo para a passagem dos fios do

transdutor 55

Figura 3.13 Permeâmetro confeccionado com aço 316 55

Figura 3.14 Detalhe da confecção da ponta cônica 56

Figura 3.15 Detalhe da confecção da rosca da ponta cônica 56

Figura 3.16 Detalhe da rosca e da ponta cônica 57

Figura 3.17 Detalhe da porta de drenagem de Ø 4x3 mm 57

Figura 3.18 Detalhe da porta de drenagem de Ø4x3 mm contendo a malha

no interior. 57

Figura 3.19 Detalhe da malha de 0.425 x 0.425 mm . 58

Figura 3.20 Detalhe dos parafusos empregados para as entradas de água59

Figura 3.21 Detalhe do torneamento dos furos para a localização dos

parafusos. 59

Figura 3.22 Detalhe dos furos para a localização dos parafusos e canais de

água. 59

Figura 3.23 Detalhe a luva confeccionada. 60

Figura 3.24 Detalhes dos diâmetros das placas porosas localizadas nas

posições 1,2,3. 60

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Figura 3.25 Detalhes da localização da pedra porosa na posição 1 61

Figura 3.26 Detalhes da localização da pedra porosa na posição 2 61

Figura 3.27 Detalhes da localização da pedra porosa na posição 7 segunda a

localização mostrada na Figura 3.5. 61

Figura 3.28 Transductor serie PD -10L , KELLER 62

Figura 3.29 Sistema interno do transdutor da serie PD-10L, KELLER 62

Figura 3.30 convenção de cores da montagem do transdutor diferencial

(KELLER) 63

Figura 3.31 Cabos elétricos sendo conectados aos fios do transdutor 63

Figura 3.32 Exemplo ilustrativo dos cabos elétricos já conectados. 64

Figura 3.33 Bomba de injeção Syringe Pumps. 66

Figura 3.34 Instrumentos utilizados para a calibração 64

Figura 3.35 Resultados da calibração do transdutor de pressão PD10L,

efetuado no laboratório PUC. 65

Figura 3.36 montagem do parafuso micrométrico, transdutor de

deslocamento e Data Logger. 67

Figura 3.37 Curva de Calibração do LSCT 67

Figura 3.38 Data Logger ALMEMO. 70

Figura 4.1 Localização do campo experimental II 71

Figura 4.2 Variação da pressão diferencial durante o ensaio realizado com a

vazão de injeção de 0.000167 cm3/s 73

Figura 4.3 Variação da carga hidráulica e da injeção para o ensaio com

vazão de 0.000167 cm3/s 74


vazão de injeção de 0.00167 cm3/s 75

Figura 4.5 Variação da carga hidráulica e da injeção para o ensaio com a

vazão de 0.00167 cm3/s 77


vazão de injeção de 0,0167 cm3/s 78

Figura 4.7 Variação da carga hidráulica e da injeção para o ensaio com a

vazão de 0.0167 cm3/s 78

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Lista de tabelas

Tabela 1 Valores de α segundo o tipo de solo, Soto,(1999). 22

Tabela 3.1 – Parâmetros de calibração do transdutor diferencial de

pressão 65

Tabela 4.1 Resultados dos ensaios de carga variável para a areia (SP) 72

Tabela 4.2 Resultados dos ensaios de carga variável para o material

argilo – arenoso. 72

Tabela 4.3 Resultados dos ensaios realizados com o permeâmetro na

areia 72

Tabela 4.4 Resultados dos ensaios realizados com o permeâmetro na

areia 74

Tabela 4.5 Resultados dos ensaios realizados com o Permeâmetro 76

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Lista de Símbolos

ks Condutividade hidráulica saturada

Q Vazão do regime permanente ou vazão injeitada

R razão da vazão constante obtida durante os ensaios

A área do reservatório do Permeâmetro utilizado (36.19 cm2).

H altura da carga hidráulica,

a diâmetro do orifício aberto pelo trado no solo

α valores sugeridos respeito ao solo a ensaiar

C fator de forma, que depende da relação H/a e do tipo de solo.

hm altura da água no interior da sondagem, por acima do nível freático.

L longitude da zona filtrante (m).

d. diâmetro da sondagem

rc raio da tubulação (cm)

Re raio efetivo do slug (cm)

t. tempo do acréscimo instantâneo inicial (s)

L comprimento do filtro

kr condutividade hidráulica,

rw raio do filtro,

t tempo do acréscimo instantâneo inicial (s)

H0 altura de drenagem num tempo zero t=0,

Ht altura de drenagem num tempo zero t=t,

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qc. resistência a ponta cônica

fs atrito lateral

U valores de poropressão

ut poro-pressão medida no tempo t,

ui poro-pressão medida no tempo t=0,

u0 poro-pressão hidrostática

T*50 fator do tempo correspondente a 50% da dissipação teórica

r. raio do cone

Ir índice de rigidez do solo (se não se tem o valor, adotar 100)

t. medida do tempo durante a dissipação ( 50% de equalização)

Ch coeficiente de adensamento horizontal,

γw peso especifico da água,

D´ modulo oedométrico

M modulo de confinamento drenado do solo

mv modulo de variação volumétrica do ensaio de compressão edométrica,

qc resistência da ponta do cone,

α fator empírico que geralmente varia de 1,5 a 4,0

Dr densidade relativa.

r1 e r2 distâncias entre o ponto de imposição de fluxo e os pontos de medição da poropressão.

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1 Introdução

O conhecimento da condutividade hidráulica e de sua variação espacial é

necessário ao estudo de problemas de engenharia, principalmente em projetos de

barragens, fundações, em obras de drenagem e na remediação de sítios

contaminados.

A condutividade hidráulica tem sido ao longo dos anos determinada através

de ensaios de laboratório e de campo. No âmbito laboratorial, a condutividade

hidráulica vem sendo determinada diretamente através de permeâmetros de parede

rígida (moldes de compactação, células oedométricas) e de parede flexível

(células triaxiais) empregando os métodos de carga constante (NBR 13292, 1995),

carga variável, (NBR 14545, 2000) e vazão constante.

Indiretamente, a condutividade hidráulica tem sido estimada através de

correlações com parâmetros de adensamento e índices físicos (Mitchell &

Gardner, 1975).

Em campo, a condutividade hidráulica é geralmente determinada através de

ensaios realizados no interior de poços de monitoramento e/ou piezômetros

ASTM D 4104 (ASTM, 2004). Em aplicações onde se requer a determinação da

condutividade hidráulica próxima a superfície do terreno tem se empregado

equipamentos que utilizam vasos de Mariotte (e.g., o permeâmetro de Guelph)

(Reynolds e Elrick, 1986) e infiltrômetros de parede dupla. Estes últimos também

têm sido bastante empregados na avaliação da qualidade de construção de

barreiras impermeáveis. A condutividade hidráulica também tem sido avaliada de

forma indireta empregando a Teoria de Adensamento através da utilização do

piezocone (ASTM D3441, 1986), do pressiômetro (ASTM D4719, 1987) e do

dilatômetro (Marchetti, 1997).

A modelagem de fluxo em meios porosos vem demandando o

desenvolvimento de um equipamento que possa efetuar determinações da

condutividade hidráulica com alta resolução. Entende-se como alta resolução a

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determinação desta propriedade em um perfil em intervalos de cerca de 50cm de

profundidade.

A presente dissertação objetiva a atender a este anseio. O projeto de

pesquisa implementado visa desenvolver um equipamento robusto, de baixo custo

e confiável que determine diretamente a condutividade hidráulica in situ de meios

porosos.

Neste volume estão apresentados os passos que levaram ao desenvolvimento

do equipamento. No Capítulo 2 faz-se um estudo comparativo dos equipamentos

de campo buscando levantar as suas principais vantagens de desvantagens bem

como identificar os requisitos necessários ao desenvolvimento do novo

permeâmetro.

O capítulo 3 descreve o equipamento desenvolvido, detalhando os seus

componentes e o seu modo de operação. Já o Capítulo 4 apresenta o programa

experimental realizado que buscou atestar a validação do permeâmetro

desenvolvido. Neste capítulo são apresentados os resultados dos ensaios

realizados nas dependências do laboratório de Geotecnia, assim como também os

ensaios in situ realizados no Campo Experimental. No capítulo 5 apresentam-se as

considerações finais ressaltando-se as principais características do equipamento

desenvolvido como também sugestões para o seu aprimoramento.

Este volume ainda apresenta um apêndice. O qual apresenta os desenhos

relativos ao permeâmetro.

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19

2 Permeâmetro

Segundo Alvarez Javier et. al (2003) a condutividade hidráulica é o

principal parâmetro requerido para a predição de fluxo de água nos solos, devido a

sua dependência com a estrutura do solo e à elevada variabilidade espacial que

possui esta propriedade

Neste capítulo realiza-se uma breve descrição dos métodos e equipamentos

desenvolvidos para determinar a condutividade hidráulica em campo.

2.1. Tipo de Permeâmetro

2.1.1. Permeâmetro de Guelph

O Permeâmetro de Guelph foi desenvolvido por Reynolds e Elrick (1983), e

posteriormente aperfeiçoado em 1985, na University of Guelph, Canadá (Elrick,

1985).

O referido aparelho é utilizado para obter as medições da condutividade

hidráulica saturada do solo (ks), assim como o coeficiente de armazenamento o

qual é um valor adimensional que representa a percentagem de água gravítica que

existe num determinado volume do conjunto água mais o solo, a matriz potencial

de fluxo a qual é a capacidade de absorção de água no solo, por efeito de

capilaridade.

Estes três fatores são os que governam o movimento de um fluido através de

um meio poroso não saturado.

Em geral, o permeâmetro de Guelph vem sendo aplicado em vários projetos,

como sistemas de irrigação, sistemas de drenagem e estudos hidrogeológicos em

geral (Nishiyama et al., 2007).

Este aparelho visto na Figura 2.1, é composto por um vaso de Marriotte que

mantém uma carga constante de água no meio poroso. O vaso é apoiado em um

tripé que permite adaptar o aparelho a terrenos irregulares.

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20

Figura 2.1 Permeâmetro de Guelph sendo empregado em um estudo hidrogeológico em

Santos Dumont (MG)

2.1.1.1. Descrição do ensaio com o Permeâmetro de Guelph

O Permeâmetro de Guelph é um aparelho portátil e muito simples de operar,

pois só se requer duas pessoas e 2,5 litros de água para realizar um ensaio.

O ensaio permite medições em qualquer posição no perfil, e é realizado

aplicando um volume de água constante num orifício aberto por trado no solo, de

aproximadamente 50 cm de profundidade.

Espera-se estabilizar rapidamente o bulbo do solo saturado, este bulbo é

muito estável e sua forma depende do tipo de solo, uma vez que se estabeleça a

forma única de saída de água, o poço alcançará um valor constante que pode ser

medido (uma carga constante conhecida).

O índice de saída constante de água, o diâmetro do furo, e a altura da água

no poço são usados para determinar a condutividade hidráulica saturada de campo

do solo.

Para a interpretação dos resultados obtidos com o Permeâmetro de Guelph é

usado o método teórico desenvolvido por Reynolds e Elrick (1985), o qual está

baseado na equação de Richards (1931), onde o raio de fluxo permanente num

furo cilíndrico é aproximado por uma equação onde a vazão (Q) é determinada

pela seguinte formula:

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RxAQ = (2.1)

Onde:

Q = é a vazão do regime permanente,

R = é a razão da vazão constante obtida durante os ensaios,

A =é a área do reservatório do Permeâmetro utilizado (36.19 cm2).

Para determinar os parâmetros correspondentes a infiltração dos solos, é

usado o método de carga hidráulica proposto por Elrick et al. (1989). O método

consiste em aplicar uma altura de carga hidráulica constante (H) e quando o

regime permanente é atingido, a vazão Q é a condutividade hidráulica saturada

(ks) são determinadas por:

2 2

.2 . .2 . . .

C QksHH a C ππ π

α

=⎛ ⎞+ +⎜ ⎟⎝ ⎠

(2.2)

Onde:

H= é a altura da carga hidráulica,

a= é o diâmetro do orifício aberto pelo trado no solo

α = é estimado inicialmente por avaliação visual “in situ” da macro-

porosidade (fissuras, formigueiros, furos de raízes, etc.) e textura do solo, a partir

da tabela 2.1.

C= fator de forma, que depende da relação H/a e do tipo de solo.

211 14.

2 2. 4H a aC senh

a H H−

⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥= − + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ (2.3)

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Tabela 1 Valores de α segundo o tipo de solo, Soto,(1999).

Valores de α sugeridos para tipos de solo

α. (cm-1) TIPO DE SOLO

0,01 Argilas compactadas ( aterros, liners, sedimentos lacustres e marinhos).

0,04 Solos de textura fina, principalmente sem macroporos e fissuras.

0,12 Argilas até areias finas com alta e moderada quantidade de macroporos

e fissuras.

0,36 Areias Grossas inclui solos com macroporos e fissuras.

O Permeâmetro de Guelph constitui uma ferramenta válida para as medições

de permeabilidade saturada tanto em solos argilosos como para solos arenosos. A

vantagem que apresenta este aparelho é sua rapidez e facilidade de operação. Uma

desvantagem deste ensaio é que só mede a condutividade hidráulica do solo até

uma profundidade máximo de 60 cm abaixo do nível do terreno. Em casos onde é

necessário obter o perfil da condutividade hidráulica com a profundidade é

necessário realizar uma série de alterações no equipamento.

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23

2.1.2. Ensaio de Lefranc

O Ensaio de Lefranc é realizado para medidas pontuais da condutividade

hidráulica do solo, o qual consiste em medir a vazão durante um intervalo de

tempo, (Q), mantendo o nível da água dentro da sondagem estabilizada a uma

altura hm.

Figura 2.2 Esquema do Ensaio de Lefranc (Puertos del Estado,1994)

Para a realização do ensaio se deve ter em conta que a sondagem deve estar

revestida para evitar que aconteça uma queda das paredes da escavação, deixando-

se livre de proteção só o tramo ou ponto onde será realizado o ensaio.

A interpretação dos dados baseia-se em certas hipóteses conhecidas do

campo de aplicação da Lei de Darcy, como é o escoamento laminar, o regime de

escoamento é permanente, meio isotrópico e homogêneo. Nestas condições que a

fórmula utilizada para o cálculo da condutividade hidráulica é a seguinte:

. m

QkC h

= ( 2.4)

22ln

LCL

d

π=

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

(2.5)

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Onde:

k= condutividade hidráulica (m/s).

Q=vazão injetada (m3).

hm=altura da água no interior da sondagem, por acima do nível freático.

L=longitude da zona filtrante (m).

d=diâmetro da sondagem.

C=fator de forma.

Segundo Puertos del Estado (1994), pode-se usar a equação 2.6, se a única

zona filtrante é somente a boca da sondagem, de diâmetro d, podendo obter o fator

de forma só com o diâmetro:

2,75C d= (2.6)

Jimenez Salas (1981) e Puerto del Estado (1994) sugerem que se L/d>4 ou

L/d>2 respectivamente é satisfeito (onde “L” e a longitude da zona filtrante e “d”

e o diâmetro maior) podendo ser usada a equação 2.7 para o calculo do fator de

forma C

Sendo a expressão geral do fator de forma C para qualquer caso:

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+

=

1ln

..22

dL

dL

LC π (2.7)

Custodio (1983), recomenda que para a realização de ensaios em solos de

alta permeabilidade o procedimento do ensaio seja como o descrito na figura 2.3,

a qual mostra a obtenção da vazão total Q, a qual é calculada através da vazão

injetada Q1 e a vazão de saída Q2. Isto devido à grande dificuldade de manter uma

carga constante hm neste tipo de solos.

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25

21 QQQ −= (2.8)

No caso de solos com baixa a muito baixa permeabilidade, não é preciso

utilizar este procedimento. Neste caso, basta adicionar volumes conhecidos de

água (vazão Q1) no tubo, e medir a quantidade de água que percola no meio.

Figura 2.3 Proposta de dispositivo de Custodio (1983)

Segundo Jimenez Salas (1981), os ensaios de Lefranc possuem as seguintes

vantagens e desvantagens:

• A vantagem do ensaio de Lefranc, é que pode ser realizado a várias

profundidades, podendo-se obter o perfil de permeabilidade com a

profundidade

• A desvantagem é que se requer a execução de uma sondagem para

cada ensaio, o que acarreta em um custo maior, além de que não se

pode obter o perfil da condutividade hidráulica de uma maneira

constante com o tempo.

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26

2.1.3. Slug Test

O Slug Test é atualmente um dos ensaios mais utilizados em campo para

determinar a condutividade hidráulica do solo (Butler, 2007). Este tipo de ensaio

pode ser realizado tanto em poços de monitoramento como em piezômetros

(Vásquez, 2004). O slug test encontra-se normatizado nos Estados Unidos pela

norma ASTM D 4104 (ASTM, 2004).

O ensaio consiste em modificar de maneira instantânea a coluna de água no

poço ou piezômetro, seja por introdução ou extração de um objeto sólido.

Este objeto sólido que é rapidamente introduzido ou retirado causa uma

variação, de incremento ou diminuição nos níveis de água dentro do poço, seguido

de uma súbita mudança de níveis de cargas. Em quanto o nível de água retorna ao

nível estático, as variações das cargas são medidas em função do tempo (Freeze e

Cherry, 1979). Os dados coletados são usados para a determinação das

propriedades hidráulicas do aqüífero aplicando seu próprio método de análise.

2.1.3.1. Descrição do Slug Test

O aparelho usado para os testes de slug test, inclui um dispositivo para

medir a variação das cargas pressão durante a realização do ensaio (e.g., um

medidor de nível d´água ou um transdutor de pressão), e para armazenar as cargas

de pressões medidas durante os testes é usado um data logger (vide Figura 2.4). O

método mais comum para o teste é o uso de um objeto sólido (slug), o qual é

introduzido ou removido no interior do poço.

Figura 2.4 – Detalhe de um ensaio slug test realizado em uma campanha

hidrogeológica em São Paulo

DBD


27

O cilindro (slug) pode ser confeccionado de um tarugo de aço inoxidável ou

PVC ou mesmo utilizando-se um tubo de PVC. No caso de utilização de um tubo,

o seu interior deve ser preenchido com areia ou um material similar, e é

hermeticamente fechado em ambas as extremidades por caps soldados ou

rosqueados. Na PUC-Rio, um tarugo de PVC é geralmente usado como slug, um

transdutor de pressão monitora a variação da coluna d´água induzida pela inserção

do slug no interior do poço de monitoramento e um sistema portátil de aquisição

de dados excita o transdutor, condiciona e armazena os seus sinais.

Figura 2.5 Slug Test, Weight e Wittman

Como foi mencionado anteriormente, este tipo de ensaio pode ser executado

por meio de duas alternativas, com a introdução de um objeto sólido (slug-in) ou

com a retirada deste objeto (slug-out).

Na primeira opção (slug-in), introduz-se o objeto sólido dentro do poço e

faz-se subir o nível da água até uma altura h1, e posteriormente se mede o

decaimento do nível de água até chegar a seu nível inicial, tomando o tempo

necessário para chegar a esta condição. A Figura 2.5, mostra a configuração do

ensaio. A Figura 2.6a que mostra o caso na que a prova é realizada num poço e a

Figura 2.6b, quando a prova é realizada num piezômetro.

Superfície de terra

Cabo

Filtro

Transdutor

DBD


28

Figura 2.6 Slug In, subida inicial e medidas de descensos da água Navfac, 1981.

No segundo caso (slug-out), mede-se a variação do nível da água

ocasionado pela extração do objeto sólido que foi introduzido no poço ou

piezômetro como ilustrado na Figura 2.6. Este objeto deve ser extraído com a

maior rapidez possível, já que o ensaio se fundamenta na medição da variação no

nível de água.

Figura 2.7 Slug Out, descenso inicial e medidas de subidas da água (Navfac,

1981).

a.) b.)

DBD


29

Segundo Butler (2007), este tipo de ensaio possui as seguintes vantagens:

• Rapidez de execução,

• Evita a introdução e extração de água, e a posterior possibilidade de

ter que gestionar a possível água contaminada,

• Possibilidade de conseguir dados confiáveis devido à utilização de

sistemas de aquisição de dados que medem e registram as variações

do nível de água de forma contínua e precisa, registrando o maior

numero possível de dados nos primeiros momentos após a extração

ou introdução do slug,

• Necessidade de escasso equipamento ou acessório para a realização

dos ensaios.

Uma das limitações deste ensaio, é que ele apenas determina a

condutividade hidráulica na área imediatamente circundante ao filtro do poço de

monitoramento ou a ponta piezométrica.

McLane et al. (apud Butler, 2005) apresentaram uma modificação deste tipo

de ensaio como é mostrado na Figura 2.8. O ensaio de slug test, usando o método

pneumático, o qual consiste em aumentar a pressão de ar através da injeção de ar

comprimido ou nitrogênio gasoso, reduzindo assim o nível da água no interior do

poço. O teste se inicia com a despressurização do meio e se encerra quando as

condições iniciais sejam re-estabelecidas. Neste intervalo a carga de pressão é

monitorada através de um transdutor de pressão instalado no interior do poço de

monitoramento

DBD


30

Figura 2.8 - Método pneumático proposto por McLane et al. (apud, Butler 2005)

As vantagens de usar este dispositivo pneumático no teste é que este não

precisa entrar em contato com a água. Por tanto o inicio do teste é rápido, e só se

deve ter um cuidado especial com que o transdutor e o cabo estejam sempre

limpos para cada teste. Outra vantagem é que a pressurização e a despressurizarão

são feitas com rapidez respeito à informação de resposta.

A maior desvantagem que tem este dispositivo pneumático refere-se à

necessidade de se empregar um sistema de ar comprimido no campo (i.e.,

utilização de gerador elétrico, transporte de equipamentos pesados).

Para a obtenção da condutividade hidráulica a partir dos dados coletados nos

testes, são geralmente empregados dois métodos de interpretação: o de Hvorslev e

de Bower-Rice; apesar da existência de outros métodos (e.g., Cooper-Bredehoeft-

Papadopoulos, 1967).

DBD


31

2.1.3.1.1. Método de Hvorslev

O primeiro método utilizado para a análise dos dados obtidos no ensaio de

slug test é a solução matemática de Hvorslev (1951). Este método é caracterizado

por sua simplicidade e podem ser usados para aqüíferos confinados em poços de

monitoramento ou em piezômetros que são instalados parcialmente ou totalmente

penetrantes. A análise é baseada na hipótese que o fluxo se encontra num estado

quase de regime permanente:

( )20

2lnln

r e

ec

s

H t k L tH Rr

r

⎡ ⎤= −⎢ ⎥ ⎛ ⎞⎣ ⎦

⎜ ⎟⎝ ⎠

(2.9)

onde:

kr= condutividade hidráulica (cm/s)

rc = raio da tubulação (cm)

L=longitude efetiva da ranhura do poço (cm)

Re= raio efetivo do slug (cm)

t= tempo do acréscimo instantâneo inicial (s)

Os passos para o método de Hvorlev são:

1. Plota-se os dados normalizados em escala logarítmica H(t)/Ho versus

tempo e a continuação traça-se a melhor reta que se ajuste aos pontos

dos dados

2. Calcula-se a linha de tendência da reta. Sendo um dos métodos de

estimativa do tempo o que se refere a To que é o tempo inicial, o qual

normaliza as cargas a 0,368, origem do numero e é definido como

um tempo básico de acordo com Hvorlev (1949). Ao começo do

teste, a carga de logaritmo é 1 e o tempo é zero, então a inclinação

seria simplesmente log10 (0,368).

DBD


32

3. O cálculo do componente radial da condutividade hidráulica usada

na equação 2.9, escrita em termos de calculo da inclinação de carga

normalizada, que é o momento no qual o tempo é igual a T0 onde a

carga normalizada é igual a 0,368.

2

0

ln

2

ec

sr

e

Rrr

kL T

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠= (2.10)

Onde Le é o comprimento do filtro neste caso.

A Figura 2.9 apresenta a configuração de instalação tanto de um piezômetro

como de um poço para o método de Hvorlev.

Figura 2.9 Poço e Piezômetro, Método de Hvorlev (1949)

DBD


33

2.1.3.1.2.Método de Bouwer e Rice

Este método assume que os efeitos de armazenamento que representa a

percentagem de água gravítica que existe num determinado volume do conjunto

água mais o solo, podem ser depreciados, assim como que o nível da água não

varia conseqüentemente, o grau de saturação da formação não varia durante o

teste. O diagrama esquemático do ensaio está descrito na Figura 2.10.

Figura 2.10 Esquema do ensaio de slug test, método de Bouwer e Rice (1967)

O modelo original de Bouwer e Rice foi desenvolvido com a hipótese que o

solo é isotrópico. Butler e Zlotnik (1998) estenderam este método para casos mais

gerais (i.e., solos anisotrópicos).

Este método também pode ser usado em condições especiais tais como

meios poucos permeáveis ou semipermeáveis.

O método tem obtido resultados razoáveis na obtenção da condutividade

hidráulica em aqüíferos estratificados, sejam estes confinados ou semi-confinados.

A solução analítica do método de Bouwer e Rice é a seguinte:

2

0

ln1. . ln

2

ec

wr

e t

Rrr Hk

L t H

⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎡ ⎤⎝ ⎠= ⎢ ⎥

⎣ ⎦ (2.11)

DBD


34

onde:

kr = condutividade hidráulica,

rc = raio da tubulação do poço,

rw = raio do filtro,

Re = distância radial efetiva sobre a qual se dissipa a carga,

Le= comprimento do filtro ou a secção aberta do poço através da qual entra

a água,

H0 = altura de drenagem num tempo zero t=0,

Ht = altura de drenagem num tempo zero t=t,

t. = o tempo tomado desde que H=H0

Para este método tem se os seguintes passos:

1. Plotam-se os dados em escala logarítmica normalizando Ht/H0

versus o tempo. Traça-se a linha de ajuste de tendência.

2. calcular a inclinação da linha de tendência. Usando o tempo T0,

escrivã- se a inclinação em termos de logaritmo natural.

3. Assume-se um raio anisotrópico de 1.

4. Estima-se a componente radial da condutividade hidráulica

utilizando a equação 2.10.

Para a estimativa do logaritmo de Re/rw, Bouwer e Rice (apud, Butler 1998)

apresentaram a equação 2.12 que é um método para a estimativa do radio

adimensional. Sendo o caso em que Lw é menor que h a qual é a espessura do

aqüífero, assim como o poço parcialmente penetrante.

( )[ ]

1

/ln

ln

1.1ln

−

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−++

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

w

e

ww

w

ww

e

rL

rLHBA

rLr

R (2.12)

Se Lw é igual que h como se pode ver na figura 2.13. O poço é totalmente

penetrante no aqüífero, então se usara a seguinte equação:

DBD


35

1

ln

1.1ln

−

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

w

e

w

ww

e

rLC

rLr

R (2.13)

Onde A, B e C são parâmetros adimensionais que podem ser obtidos através

dos Gráficos das Figuras 2.11 e 2.12.

Figura 2.11 Parâmetros adimensionais A, B, C, Bouwer

Figura 2.12 Cargas numa perfuração como uma função de forma do tempo da reta

de melhor ajuste durante a parte inicial do teste, mas eventualmente devidamente

frente à reta ajusta. Bouwer

DBD


36

2.2. Equipamentos cravados

Os ensaios que consistem na cravação de uma sonda ou placa (e.g., CPT,

CPTU e DMT) é uma prática comum em geotecnia. A partir das décadas de 80 e

90 as necessidades de investigações de cunho ambiental popularizaram o uso de

equipamentos cravados.

A vantagem da utilização de equipamentos cravados reside na sua rapidez

na execução dos ensaios, reduzindo os custos além de causar menos dano ao

ambiente por ser uma técnica menos intrusiva, quando comparada as sondagens

tradicionais.

Devincenzi (2003) sugere que os usos de equipamentos cravados em

investigações ambientais possuem as seguintes vantagens:

• Não produz resíduos de perfuração;

• As amostras de água e gás correspondem a uma profundidade

determinada;

• Evita a contaminação externa;

• Evita a contaminação cruzada;

• Evita a perda de voláteis;

• As pessoas não são expostas a contaminantes.

2.2.1. Piezocone

O Piezocone é um ensaio de penetração quase estática, o qual é realizado in

situ e que permite determinar o perfil estratigráfico, além da resistência,

compressibilidade e condutividade hidráulica dos materiais terrosos componentes

do perfil estatigráfico (Lunne et al., 1997). O procedimento se encontra

normalizado nos Estados Unidos pela ASTM D3441 (1986).

Segundo Mondelli, (2004), a sua aplicação em projetos geotécnicos tem

sido fundamental para a obtenção dos parâmetros geomecânicos, sobretudo na

Cidade do Rio de Janeiro devido à existência de extensos depósitos de solos

moles.

O piezocone possui uma ponteira em forma cônica, cujo vértice é de 60º.

Esta ponteira se encontra conectada a extremidades de um conjunto de hastes,

DBD


37

com diâmetro igual ou menor que o diâmetro do cone. O cone tem um diâmetro

típico de 35,7mm, como se mostra na Figura 2.13.

Figura 2.13 Desenho esquemático de CPTU (Davies e Campanella, 1995)

Durante o ensaio são registrados simultaneamente os seguintes dados:

• Resistência da ponta do cone (qc) que representa a reação que opõe o

solo à penetração do cone, que varia de acordo com a compacidade

do solo;

• Atrito lateral (fs), uma expressão da pressão horizontal que aumenta

durante a penetração do cone e varia em função do tipo de solo e de

seu grau de consolidação.

• Valores de poro-pressão (U) que representam o excesso de

poropressão gerado pela penetração. Alguns piezocones possuem

vários transdutores de pressão os quais permitem determinar a

poropressão na ponta (U1), atrás da ponta (U2) e atrás da luva de

atrito (U3), como ilustrado na Figura 2.15.

DBD


38

O ensaio com o piezocone consiste na introdução da sonda a velocidade

constante (2 cm/s). Para a introdução da sonda se usa um sistema de reação o qual

é usado para a penetração do cone no solo. Segundo De Ruiter (1982), os sistemas

normalmente empregados têm uma capacidade de 100 a 200 KN. A Figura 2.14

apresenta o sistema de cravação montando em um caminhão com reação de 40t da

empresa Gregg Drilling & Testing, Inc., visto na Figura 2.15.

Figura 2.14 – Sistema de cravação

Figura 2.15– Sistema de cravação montando em um caminhão

De Ruiter (1982) sugere que seja necessária uma força de 200 KN para

cravar o piezocone em areias médias a compactas ou argilas rijas a profundidades

de 25 a 30m. Segundo o autor, este valor pode ser considerado como uma carga

limite posto que cargas superiores a estas levariam à flambagem das hastes.

DBD


39

A coleta de dados é realizada automaticamente. Os sinais dos instrumentos

são condicionados e os valores dos parâmetros de interesse são mostrados

graficamente em tempo real, conforme pode ser visto na Figura 2.16.

Figura 2.16 – Aquisição automática dos parâmetros de interesse

Como foi dito os valores medidos durante a prova do piezocone são qc, fs e

U, com os quais é possível estimar os parâmetros de resistência,

compressibilidade e condutividade hidráulica do solo. Esta forma de analises de

resultados de sondagens é conhecida como abordagem indireta de interpretação.

A condutividade hidráulica do solo é obtida neste ensaio através da medição

da dissipação do excesso de poro-pressão. O procedimento do ensaio exige a

determinação do período de dissipação do excesso de poropressão. Em alguns

caso, este período é fixado para todas as camadas componentes do perfil. Em

outros casos, a dissipação é mantida até alcançar uma percentagem pré

determinada da pressão hidrostática ou da poropressão de equilíbrio. Sendo assim,

o excesso de poro-pressão normalizado, U, pode ser expresso pela seguinte

equação:

0

0

t

i

u uUu u−

=− (2.14)

onde:

ut= poro-pressão medida no tempo t,

ui= poro-pressão medida no tempo t=0,

u0= poro-pressão hidrostática.

DBD


40

Para obter a condutividade hidráulica num piezocone também se tem em

conta a posição da pedra porosa, vide Figura 2.17, posto que para fazer os

respectivos cálculos da condutividade hidráulica é necessário a determinação a

priori do coeficiente de adensamento.

Figura 2.17 – Piezocone com medição de poropressão na posição U2

O coeficiente de adensamento pode ser determinado com o dado do t50 o

qual é tirado do gráfico de poropressão (MPa) versus tempo (s), visto na Figura

2.18, o que facilita o calculo do coeficiente de adensamento horizontal (Ch)

através da equação:

50

2*50 ..

tIrT

C rh = (2.15)

Onde:

T*50=fator do tempo correspondente a 50% da dissipação teórica

r= raio do cone

Ir = índice de rigidez do solo (se não se tem o valor, adotar 100)

t= medida do tempo durante a dissipação (usualmente tomada a 50% de

equalização)

DBD


41

Figura 2.18 Gráfico de dissipação de poropressões segundo a posição da

pedra porosa, (Mayne, 2000).

Ao determinar o valor do coeficiente de adensamento se procede ao calculo

de dois fatores, o tempo (T*) para cada instante do ensaio, usando a equação 2.20,

possibilitando a curva U versus T*. A curva que se obtém com os dados do ensaio

pode ser comparada com a curva teórica de dissipação dada por Teh & Houlsby

(1991) só para ter uma validade do ensaio.

*2

..

h

r

C tTr I

= (2.16)

Segundo Teh & Houlsby (op. cit.) para calcular o fator do tempo T*50 se

tem duas soluções propostas, que são afeitadas segundo a posição da pedra

porosa, podendo ser U1 ou U2 como se apresenta na Figura 2.19.

U2

U1

Valores de penetração

(ΔU=0%)

Tempo (s)

Poro

pres

sões

, U, (

MPa

)

DBD


42

Figura 2.19 posições das pedras porosas U1 e U2.

A permeabilidade horizontal pode ser determinada usando a seguinte

formula:

´.

DC

k whh

γ= ( 2.17)

Onde:

Ch= coeficiente de adensamento horizontal,

γw = peso especifico da água,

D´= modulo oedométrico.

Tavenas et al. (1983) sugerem que razão entre a condutividade hidráulica

horizontal e a vertical pode ser razoavelmente aproximada como kh = 1.1 kv para

os solos argilosos da província de Quebec no Canadá.

Nos demais casos, é necessário corrigir o coeficiente de adensamento

horizontal Ch para obter o Cv, o qual se pode determinar usando a equação 2.18,

considerando que a compressibilidade do solo é isotrópica:

U2 U1

Ponta Cónica

DBD


43

. vV h

h

kC Ck

= ( 2.18)

Com este coeficiente vertical pode-se obter a condutividade hidráulica

vertical:

wvv MCk γ.1.= (2.19)

Onde:

M = modulo de confinamento drenado do solo

Campanella et al. (1995) sugerem uma correlação para o módulo confinado

drenado realizada por Mitchell & Gardner (1975):

cv

qm

M .1 α== (2.20)

Onde:

mv = modulo de variação volumétrica do ensaio de compressão edométrica,

qc = resistência da ponta do cone,

α = fator empírico que geralmente varia de 1,5 a 4,0, dependente do tipo de

solo.

O parâmetro α pode ser estimado empregando uma formulação proposta por

Vésic (1970):

( )22. 1 rDα = + (2.21)

Onde:

Dr= densidade relativa.

A maior desvantagem deste tipo de teste, é que a condutividade hidráulica

se obtém de forma indireta e mediante correlações matemáticas e de laboratório.

DBD


44

Esta condutividade hidráulica só pode ser obtida em solos argilosos dado que a

dissipação é lenta e permite observar as variações da poropressão com o tempo.

No caso de materiais muito permeáveis isto não é possível, o que dificulta muitas

vezes a realização da prova o que impossibilita a obtenção da permeabilidade.

2.2.2. Permeâmetro Cravado (DPP)

A determinação da condutividade hidráulica através do permeâmetro

cravado consiste em um ensaio de penetração estática in situ por meio do qual se

pode obter informações de alta resolução para as suas variações verticais (Butler

et al., 2007).

Os permeâmetros citados na literatura consistem de uma sonda de pequeno

diâmetro e uma curta seção drenante onde um par de transdutores posicionados no

seu interior determina a variação da carga hidráulica induzida por um fluxo

imposto, de forma constante, a partir da superfície do terreno. O diagrama

esquemático do ensaio está descrito na Figura 2.20.

Figura 2.20 Representação esquemática do permeâmetro cravado (Geoprobe,

2007)

Injeção de água

Controle do Fluxo e

aquisição de dados

Reservatório de água

Permeâmetro

DBD


45

O permeâmetro deve ser confeccionado especificamente com um pequeno

diâmetro a fim de minimizar os impactos de compactação que sofre o solo no

momento da cravação deste.

O ensaio é realizado através da injeção controlada, aplicando-se uma vazão

constante, por uma bomba na superfície do terreno. O fluxo é orientado por uma

pedra porosa instalada no corpo da sonda, preferencialmente na posição U2. A

carga hidráulica induzida pelo fluxo imposto ao meio poroso é monitorada por

intermédio de transdutores de pressão instalados no corpo da sonda. O ensaio é

concluído quando se atém uma diferença de carga constante com o tempo obtida

através da medição dos transdutores de pressão. Segundo Butler (2007), o ensaio

pode ser concluído em solos de moderada ou alta condutividade hidráulica

(i.e.,mais de 1 m/d), em um intervalo de 10 a 15 min.

Segundo este autor, a maior limitação do equipamento reside na fragilidade

dos transdutores de pressão que não suportam os esforços oriundos do processo de

cravação.

A condutividade hidráulica é determinada quando o fluxo atinge o seu

estado permanente. Este estado é verificado quando não se observa mais variações

da diferença da carga hidráulica medida pelos transdutores de pressão com o

tempo, conforme ilustra a Figura 2.22. Neste caso, k é calculado através da

seguinte expressão (Lowry et al., 1998):

( )hrr

Qk

Δ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=.4

11.21

π (2.22)

Onde:

Q= vazão de injeção,

r1 e r2 = distâncias entre o ponto de imposição de fluxo e os pontos de

medição da poropressão.

Δh = cargas de pressão medidas durante o ensaio.

DBD


46

Figura 2.21 – Gráfico típico de um ensaio de vazão constante (Butler et al., 2007)

2.2.2.1. Considerações sobre o Emprego do Permeâmetro Cravado

A principal desvantagem do permeâmetro cravado reside no seu método de

instalação. A cravação da sonda causa uma perturbação no meio poroso alterando

o seu estado. Este efeito pode ser minimizado através da redução do ângulo de

ataque da ponta cônica bem como utilizando sondas com diâmetros reduzidos.

Há ainda a possibilidade de geração de um canal preferencial de fluxo entre

a parede do permeâmetro e o meio poroso.

Por outro lado, o permeâmetro cravado permite determinar a condutividade

hidráulica de materiais permeáveis em espaços de tempo reduzidos por empregar

o método da vazão constante. Apesar de, teoricamente, o estado de fluxo

permanente ser alcançado ao mesmo tempo pelos métodos de vazão constante e

carga constante, o anterior leva a vantagem de ser mais fácil determinar

experimentalmente pequenas variações de pressão do que pequenas vazões.

Assim, fica mais fácil determinar a condição de fluxo permanente no ensaio de

vazão constante do que no ensaio de carga constante.

DBD


47

Em relação ao piezocone, o permeâmetro cravado apresenta a simplicidade

de cálculo da condutividade hidráulica onde os parâmetros constantes da

expressão derivada da Lei de Darcy são todos medidos in situ. Já o piezocone

apresenta uma interpretação baseada na Teoria do Adensamento e assume uma

série de hipóteses simplificadoras.

Em relação ao slug test, o permeâmetro cravado não necessita da instalação

de um poço de monitoramento ou piezômetro para a realização de um ensaio. O

slug test também padece do problema de difícil interpretação.

DBD


48

3 Desenvolvimento do Permeâmetro

Os permeâmetros que empregam o método da vazão constante determinam a

condutividade hidráulica do meio através da medição da carga hidráulica induzida

no meio por intermédio de uma vazão imposta por uma bomba na superfície

(Butler et.al., 2007).

Este tipo de sistema de medição tem sido recentemente criado empregando-

se transdutores de pressões posicionados longitudinalmente e/ou

circunferencialmente ao longo da sonda (Butler et al., op. cit.). A Figura 3.1

apresenta o permeâmetro que está sendo desenvolvido pela Geoprobe Systems.

Figura 3.1 – Permeâmetro da Geoprobe Systems

A presente pesquisa buscou atender os seguintes requisitos operacionais:

1. Sonda de fácil cravação;

2. Utilização de materiais de elevada resistência mecânica e à corrosão na construção da sonda;

3. Possibilidade de saturação do meio poroso;

4. Possibilidade de saturação da linha de injeção;

DBD


49

5. Possibilidade de saturação das linhas de medição de poropressão para minimizar a permanência de bolhas de ar na cavidade de medição;

6. Possibilidade de injeção de fluxo radial;

7. Possibilidade de injeção de vazões da ordem de 1 x 10-4 cm3/s para permitir a realização de ensaios em solos argilosos com gradientes hidráulicos inferiores a unidade;

8. Possibilidade de medição contínua da vazão de injeção;

9. Os pontos de medição da poropressão deverão estar o mais próximo o possível do ponto de injeção para que a constatação das condições de fluxo permanente sejam realizadas em um menor intervalo de tempo, reduzindo o tempo do ensaio;

10. Possibilidade de troca do filtro das portas de medição da poropressão para minimizar a perda de carga;

11. Possibilidade de aquisição automática e armazenamento dos sinais dos transdutores empregados na medição de vazão e poropressão;

12. Possibilidade de acompanhamento gráfico temporal dos dados adquiridos para definição do término do ensaio

3.1. Características do material de confecção

3.1.1. Aço Inox

O aço inox utilizado para a fabricação do Permeâmetro foi o 316. Este é um

tipo de aço resistente a corrosão, dado a presença de cromo que possui uma

grande afinidade com o oxigênio e ao reagir com este forma uma capa passiva,

evitando assim a corrosão do ferro. Esta liga contém por especificação um mínimo

de 10,5% de cromo. O aço inoxidável 316 pertence ao grupo dos aços austenicos

os quais possuem as seguintes características (ASTM TP 316 L):

• Excelente resistência a corrosão

• Excelente soldabilidade

• Excelente fator de higiene e limpeza

DBD


50

• Possui a habilidade de funcionar em temperaturas extremas, em

baixas temperaturas prevenindo a fragilização e altas temperaturas

até os (925º).

• São não magnéticos.

3.2. Projeto do permeâmetro

O permeâmetro consiste em uma sonda cravada e emprega o método da

vazão constante. Uma bomba de seringa instalada na superfície do terreno é

utilizada para aplicar uma vazão constante enquanto que a carga hidráulica

induzida no meio é medida através de um transdutor de pressão piezoresistivo

instalado no corpo da sonda, vide Figura 3.2.

Figura 3.2 Detalhe da posição do transdutor

A diferença dos outros equipamentos antes citados este equipamento tem a

vantagem de permitir o escoamento em suas linhas de drenagem e de medição de

carga hidráulica a partir da superfície possibilitando a saturação do meio poroso

após a cravação da sonda bem como minimizando as incertezas associadas à

medição de pressão. Esta última é alcançada através de um transdutor diferencial

de pressão com uma faixa de trabalho de 10kPa que possibilita medições de

poropressões bem próximas a zona de injeção, conforme pode ser visto na Figura

3.2. Esta característica permite a realização de ensaios mais curtos e minimiza o

problema de compatibilidade de fluidos decorrente do processo de injeção.

DBD


51

A ponta cônica, vista na Figura 3.3, possui um ângulo de ataque de 30º

diferindo do padrão internacional de 60º que é usado nos ensaios do tipo CPTU. O

ângulo de ataque foi determinado com base nas análises da propagação das taxas

de deformação devido à penetração realizadas por Levadoux e Baligh (1986).

Figura 3.3 Detalhe da ponta cônica de 30º do Permeâmetro de cravação.

Segundo estes autores, quanto menor for o ângulo da ponta do cone menor

serão as deformações e perturbações produzidas. Adicionalmente, quanto menor

for o ângulo de ataque menor será a poropressão induzida pela penetração do

instrumento como também o tempo necessário a sua equalização será mais rápido.

3.3. Construção do permeâmetro

A construção do Permeâmetro foi realizada no Instituto Tecnológico

(ITUC/PUC-Rio), onde foi torneado em quatro peças cilíndricas em aço

inoxidável 316 de alta resistência à corrosão.

As dimensões gerais externas do permeâmetro de 187 mm de comprimento

e 54 mm de diâmetro externo como se mostra na Figura 3.4. As Figuras 3.5 e 3.6

ilustram as partes constituintes do permeâmetro.

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52

Figura 3.4 Dimensões do Permeâmetro de cravação

Figura 3.5 Diagrama esquemático do permeâmetro de cravação

Figura 3.6 Detalhe das partes constituintes do Permeâmetro de cravação

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53

A primeira peça torneada foi à cavidade localizada na posição 2 (Figura

3.5),a qual é mostrada na Figura 3.7. O diâmetro do furo foi de 19 mm para

proporcionar a colocação do transdutor diferencial de pressão, conforme pode ser

visto na Figura 3.8.

Figura 3.7 Detalhe da perfuração do furo longitudinal para dar acesso a transdutor de

pressões

Figura 3.8 Detalhe do furo onde é colocado o transdutor diferencial

O corpo do permeâmetro possui duas roscas de 2 mm nas extremidades para

facilitar as conexões do sistema de fixação, como é o caso da ponta cônica

localizado na posição 1 (Figura 3.5) e o adaptador das hastes de cravação

localizado na posição 3 (Figura 3.5).

Um anel complementar, visto em construção na Figura 3.9, foi projetado

para acomodar um disco poroso localizado na posição 7 (Figura 3.5). Este anel

possui 4mm de largura e 16.05mm de comprimento. Neste mesmo anel, está

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54

instalado uma das portas de drenagem para a medição da poropressão, conforme

pode ser vista na Figura 3.10.

Figura 3.9 Perfuração do anel complementar

Figura 3.10 Perfuração do anel complementar

O pemeâmetro desenvolvido possui duas placas porosas de 2 mm de largura

e de diâmetro de 17 mm fabricadas de um material de viton, as quais se encontram

localizadas nas posições 5 e 9 (Figura 3.5). A sua instalação é feita conforme

ilustra a Figura 3.11.

Figura 3.11 detalhe da placa porosa posição 9

Placa Porosa

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55

A Figura 3.12 apresenta a forma na qual as partes são conectadas (i.e.,

através de parafusos). Há ainda um furo adicional por onde a fiação do transdutor

de pressão é levada à superfície.

Figura 3.12 Detalhe dos parafusos e do furo para a passagem dos fios do transdutor

O permeâmetro montado é apresentado na Figura 3.13.

Figura 3.13 Permeâmetro confeccionado com aço 316

Furo para os fios do transdutor

Parafusos

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56

3.4. Detalhes das peças constituintes

3.4.1. Ponta cônica

A ponteira cônica de aço inoxidável possui um ângulo de ataque de 30º,

diâmetro externo de 54mm e a área da total de 11,40 cm2. A ponta é atarraxada à

extremidade da sonda, ficando em contato com a rosca de fixação da segunda

peça conforme pode ser visto no Apêndice I, no plano 1.

O objetivo desta ponteira é de auxiliar na cravação do Permeâmetro e servir

de espaçador diminuindo a perturbação do solo durante a cravação. As Figuras

3.14, 3.15 e 3.16 apresentam seqüencialmente a confecção da ponta e da rosca.

Figura 3.14 Detalhe da confecção da ponta cônica

Figura 3.15 Detalhe da confecção da rosca da ponta cônica

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57

Figura 3.16 Detalhe da rosca e da ponta cônica

3.4.2. Portas de Drenagem

A fim de minimizar o potencial de entupimento das drenagens durante a

cravação da sonda foram projetadas portas constituídas de cilindros rosqueados

contendo em seu interior uma malha com abertura equivalente a peneira #40.

Estas portas têm comprimento 3 mm e diâmetro de 4 mm, e em seu interior

foi estampada uma peneira com malha #40, conforme pode ser vista nas Figuras

3.17, 3.18 e 3.19.

Figura 3.17 Detalhe da porta de drenagem de Ø 4x3 mm

Figura 3.18 Detalhe da porta de drenagem de Ø4x3 mm contendo a malha no interior.

3 mm

4 mm

2 mm

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58

Figura 3.19 Detalhe da malha de 0.425 x 0.425 mm .

A abertura de malha é condicionada ao tipo de solo a ser ensaiado para

minimizar a perda de carga. No caso de solos finos, as portas de drenagem podem

ser facilmente retiradas e colocadas novas portas com abertura de malha

compatível com o diâmetro das partículas destes solos.

3.4.3. Base do Permeâmetro

A base do permeâmetro consiste de um cilindro no qual a placa porosa

utilizada para homogeneizar a injeção radial é apoiada e onde as tubulações de

drenagem e os cabos do transdutor são levados à superfície.

A base é afixada ao conjunto por intermédio de dois parafusos de aço 316

(vide Figura 3.20). Na base ainda estão instaladas três conexões de aço 316, vistas

na Figura 3.21, destinadas à saturação das linhas de drenagem e imposição do

fluxo. A disposição das linhas de drenagem está ilustrada na Figura 3.22.

A base é rosqueada, vide Figura 3.22, para permitir o seu acoplamento a

uma luva que foi confeccionado no Instituto Tecnológico (ITUC) como é

apresentado na Figura 3.23, que por sua vez, conduz o conjunto as hastes de

cravação.

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59

Figura 3.20 Detalhe dos parafusos empregados para as entradas de água

Figura 3.21 Detalhe do torneamento dos furos para a localização dos parafusos.

Figura 3.22 Detalhe dos furos para a localização dos parafusos e canais de água.

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60

Figura 3.23 Detalhe da luva confeccionada.

3.4.4. Placas Porosas

As placas porosas são confeccionadas a partir de chapas de um

fluorpolímero denominado Viton. Estas placas porosas estão localizadas nas

posições 5, 7 e 9 conforme pode ser visto na Figura 3.5. As placa na posição 5 e 9

possuem uma largura de 2 mm e 17,5 mm de diâmetro. A placa porosa em forma

de disco se encontra na posição 7, a mesma apresenta um diâmetro interno de 52

mm e diâmetro externo 54 mm. Esta tem a função de homogeneizar o fluxo

imposto pela bomba de seringa e a sua vez impõe um fluxo radial. A Figura 3.24

ilustra as placas empregadas no permeâmetro, enquanto que a Figura 3.25 e 3.26

apresentam a sua localização.

Figura 3.24 Detalhes dos diâmetros das placas porosas localizadas nas posições 1,2,3.

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61

É necessário ressaltar que as pedras porosas se encontram fixadas nas

extremidades localizadas nas posições 5 e 9 encaixando perfeitamente nos lados

do transdutor como se pode ver na Figuras 3.25, 3.26 e 3.27.

Figura 3.25 Detalhes da localização da pedra porosa na posição 1

Figura 3.26 Detalhes da localização da pedra porosa na posição 2

Figura 3.27 Detalhes da localização do disco poroso na posição 7 segunda a localização

mostrada na Figura 3.5.

Localização da placa porosa na posição 5

Localização do disco poroso

Localização da placa porosa na posição 9

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62

3.5. Dispositivos de medição empregados

3.5.1. Sensor de Pressão

Para a medição da pressão induzida pelo fluxo optou-se pelo uso de um

transdutor diferencial de pressão da marca KELLER, modelo PD -10L, com faixa

de trabalho de 10kPa. O transdutor visto nas Figuras 3.28 e 3.29, possui um

diâmetro externo de 19mm e comprimento de 26mm.

Figura 3.28 Transductor serie PD -10L , KELLER

Figura 3.29 Sistema interno do transdutor da serie PD-10L, KELLER

O transdutor apresenta uma alta sensibilidade (i.e., 4 mA). A sua piezo

resistividade é alcançada por um chip de silício, que é empregado para a detecção

das variações de pressão. O chip é protegido contra a influência do ambiente

através de sua instalação em uma câmara selada, mostrada na figura 3.29. A

câmara é preenchida com óleo de silicone, de modo a assegurar a transferência de

pressão do diafragma para o componente do sensor.

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63

3.5.1.1. Cabos elétricos e convenção de cores

Os fios elétricos que transmitem os sinais do transdutor ao equipamento de

aquisição de dados na superfície estão em um cabo que passa por dentro das

hastes do equipamento. Na sonda foi usado um cabo com 4 vias a qual é

conectada a um cabo #412.074.

A convenção de cores dos fios adotada para a montagem, vista na Figura

3.30. As Figuras 3.31 e 3.32 apresentam o conjunto já montado.

Figura 3.30 convenção de cores da montagem do transdutor diferencial (KELLER)

Figura 3.31 Cabos elétricos sendo conectados aos fios do transdutor

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64

Figura 3.32 Exemplo ilustrativo dos cabos elétricos já conectados.

3.5.2. Calibração do transdutor Diferencial

Para a execução dos ensaios com o Permeâmetro foi necessária a checagem

do dispositivo de medição de pressões antes de ser usado nos ensaios realizados.

A Figura 3.33 apresenta os materiais que foram utilizados para a realização da

calibração do transdutor diferencial.

Figura 3.33 Instrumentos utilizados para a calibração

O método de calibração consistiu na aplicação de uma pressão através de

coluna de água, conforme pode ser visto na Figura 3.33. A calibração foi realizada

através do incremento e redução da coluna d’água. Para avaliar a repetibilidade

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65

das leituras o procedimento foi realizado em 6 séries de carga/descarga. A Figura

3.34 apresenta os resultados da calibração.

Figura 3.34 Resultados da calibração do transdutor de pressão PD10L, efetuado no

laboratório PUC.

Com base nos resultados da calibração foi possível determinar a resolução, a

não linearidade, a não repetibilidade, a histerese e a precisão das leituras do

transdutor diferencial de pressão. A partir destes parâmetros foi possível

determinar a exatidão do transdutor. Estes dados estão disponíveis na Tabela 3.1.

Tabela 3.1 – Parâmetros de calibração do transdutor diferencial de pressão

Parâmetro Valor

resolução 0,9995 mV/kPa

não linearidade 0.0021 kPa

não repetibilidade 0,0002 kPa

histerese 0,039 kPa

precisão 0,07922 kPa

exatidão 0,04 kPa

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3.5.3. Bomba de injeção

O sistema de aplicação de vazão constante é constituído basicamente por

uma bomba de fluxo do tipo seringa da série P-74900-40, comercializada pela

Cole-Parmer Inc. uma fotografia da bomba é apresentada na Figura 3.35.

A bomba é composta por um motor elétrico, o mesmo que desloca um

atuador, que por sua vez empurra o embolo da seringa a uma velocidade

constante. A velocidade pode ser ajustada diretamente, através de um painel de

controle localizado na fronte da bomba, permitindo assim a mudança de

velocidade sem necessidade de suspender o fluxo. Possui também uma ampla

faixa de velocidades que varia de 0,008 μL/min até 147 cm3/min. O volume

injetado ou extraído pode ser controlado tanto pela velocidade de injeção, quanto

pelo diâmetro da seringa utilizada.

Esta bomba possui uma seringa que foi confeccionada em duro-alumínio

por Carillo (2000). O seu embolo possui um diâmetro interno de 17mm podendo

deslocar um volume de 12 ml.

Figura 3.33 Bomba de injeção utilizada.

Visando obter uma melhor quantificação do volume de fluido injetado, e

aferir os valores acusados no visor da bomba, adicionou-se um medidor de

deslocamento (LSCT), para registrar o deslocamento do atuador, que ao

multiplicá-lo pela área da seção transversal da seringa obtém-se o volume

injetado.

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67

3.5.4. Calibração do Transdutor de Deslocamento

O transdutor de deslocamento empregado para a medição da vazão da

bomba é do tipo LSCT da marca Full Bridge, modelo HS50. Este foi calibrado

através do emprego de um micrômetro da marca Schaevitz com resolução de

0,001 mm. O conjunto de calibração está ilustrado na Figura 3.36. A Figura 3.37

apresenta os resultados da calibração.

Figura 3.36 montagem do parafuso micrométrico, transdutor de deslocamento e Data

Logger.

Figura 3.37 Curva de Calibração do LSCT

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68

Com base nos resultados da calibração foi possível determinar a resolução, a

não linearidade, a não repetibilidade, a histerese e a precisão das leituras do

transdutor diferencial de pressão. A partir destes parâmetros foi possível

determinar a exatidão do transdutor. Estes dados estão disponíveis na Tabela 3.2.

Tabela 3.2 – Parâmetros de calibração do transdutor diferencial de pressão

Parâmetro Valor

resolução 1 mV/mm

não linearidade 0,0024 mm

não repetibilidade 0,00018 mm

histerese 0,04 mm

precisão 0,0012 mm

exatidão 0,00378 mm

3.6. Aquisição de sinais

A aquisição dos sinais dos transdutores de pressão e deslocamento é

realizada através de um sistema da marca AHLBORN de modelo ALMEMO,

visto na Figura 3.38.

Figura 3.38 Data Logger ALMEMO.

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69

4 Avaliação do Desempenho do Permeâmetro de Vazão Constante de Campo

Este capítulo descreve a avaliação do desempenho do permeâmetro cravado.

Nele esta descrita o procedimento dos ensaios realizados e os resultados obtidos

tanto no ambiente laboratorial como no campo os quais serviram para os ajustes

do equipamento.

4.1. Procedimento do ensaio

Antes de utilizar o equipamento torna-se necessária a saturação das placas

porosas observando os procedimentos estabelecidos em Head (1986).

O permeâmetro pode ser cravado através de uma perfuratriz hidráulica na

profundidade desejada. Alternativamente, pode-se escavar até uma profundidade

de cerca de 1m acima da cota que se deseja ensaiar e, a partir desta profundidade,

proceder à cravação do permeâmetro empregando uma perfuratriz hidráulica.

Com o permeâmetro na posição desejada, procede-se a saturação das linhas

de medição de pororopressão. A saturação é conduzida através da injeção de água

nas linhas de medição a partir da superfície empregando um vaso de Mariotte.

Recomenda-se injetar uma quantidade de água equivalente a pelo menos 5 vezes o

volume das linhas de drenagem e das cavidades de medição, para poder ter

garantir que as mesmas se encontrem totalmente saturadas sim a presença de

alguma bolha de ar.

Caso se deseje determinar a condutividade hidráulica em uma zona vadosa é

necessário proceder à saturação do meio. A saturação pode ser realizada através

do emprego de um vaso de Mariotte. Neste caso, recomenda-se injetar uma

quantidade de água equivalente a pelo menos 3 vezes o volume de poros da massa

de solo compreendida em um raio de 10cm do permeâmetro. A porosidade do

meio pode ser obtida das indicações feitas por Freeze e Cherry (1979).

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70

Uma vez saturados o meio poroso e as linhas do permeâmetro procede-se a

injeção de água através da bomba de seringa. O fluido injetado é

preferencialmente o fluido intersticial do meio. Na falta deste pode-se empregar

uma água.

Durante a aplicação da vazão constante são monitoradas a diferença de

carga medida pelo transdutor diferencial de pressão e o deslocamento do êmbolo

da seringa através do transdutor de deslocamento. Ambos os transdutores são

excitados pelo equipamento de aquisição de dados e as suas leituras são

condicionadas e armazenadas pelo mesmo equipamento. Os sinais são adquiridos

em intervalos de 1s. Na tela deste equipamento durante a realização do ensaio é

traçada a variação temporal da diferença de carga. Quando esta variação

permanece constante ao longo do tempo o ensaio é encerrado. Na Figura 4.1 é

mostrado o esquema do prova realizada com o permeâmetro desenvolvido.

Figura 4.1 Representação esquemática do permeâmetro desenvolvido

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71

A condutividade hidráulica é calculada empregando a seguinte expressão

(Lowry et.al. 1998):

( )hrr

Qk

Δ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=.4

11.21

π (4.1)

Onde:

Q = vazão de injeção aplicada durante o ensaio,

r1 e r2 = distâncias entre o ponto de imposição de fluxo e os pontos de

medição da poropressão,

Δh = cargas de pressão medidas durante o ensaio

Recomenda-se repetir o ensaio com pelo menos duas vazões adicionais para

verificar a validade do resultado obtido.

4.2. Programa Experimental

O programa experimental foi realizado tanto nas instalações do laboratório

de Geotecnia da PUC-Rio, como no campo experimental II da mesma, cuja

localização se encontra ressaltada num circulo de cor azul e esta descrita na Figura

4.2.

Figura 4.2 Localização do campo experimental II

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72

4.2.1. Ensaios de laboratório

Os solos ensaiados no ambiente laboratorial tratam-se de uma areia mal

graduada com pouco o nada de fino (SP), e um material argilo-arenoso a qual foi

coletada do campo experimental da PUC-Rio. Nestes dois tipos de solos

realizaram-se ensaios de permeabilidade de carga variável com a qual se obteve as

seguintes condutividades hidráulicas as quais são mostradas nas tabelas 4.1 e 4.2.

Tabela 4.1 Resultados dos ensaios de carga variável para a areia (SP)

kS (cm/s) 1,90 x10-3 3,10 x10-3

Tabela 4.2 Resultados dos ensaios de carga variável para o material argilo – arenoso.

kS (cm/s) 1,85 x10-4 3,56 x10-4

4.2.1.1. Resultados dos ensaios de laboratório

Estes ensaios foram realizados no dia 10/08/2008, tendo os respectivos

cuidados de compactação dos moldes para que as permeabilidades dos mesmos

não variem com respeito aos ensaios de carga variável realizados, assim como

fora cuidada a saturação do solo a ensaiar.

Os três ensaios tiveram as seguintes características:

• o primeiro fora aplicada uma vazão constante de 0,03337 cm3/s

• o segundo ensaio com uma vazão constante de 0,04008 cm3/s.

• o terceiro ensaio com uma vazão constante de 0,0501cm3/s

Os resultados dos ensaios realizados no 10/08/2008 estão descritos na

Tabela 4.3 e nas Figuras 4.3, a 4.5.

Tabela 4.3 Resultados dos ensaios realizados com o permeâmetro na areia

Vazão (cm3/s) 0,03337 0,04008 0,0501

kS (cm/s) 1,93 x10-3 2,46 x10-3 2,89 x10-3

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73

Figura 4.3 Variação da pressão diferencial durante o ensaio realizado com a vazão de

injeção de 0.03337 cm3/s





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Foram realizados também ensaios no solo argilo-arenoso, com o qual se

teve a mesma consideração da preparação dos moldes.

Os dois ensaios realizados neste material tiveram a seguintes características:

• o primeiro fora aplicada uma vazão constante de 0,00167 cm3/s

• o segundo ensaio com uma vazão constante de 0,0167 cm3/s.

Os resultados dos ensaios realizados são mostrados a continuação na tabela

4.4. e as Figuras 4.6 e 4.7.

Tabela 4.4 Resultados dos ensaios realizados com o permeâmetro na areia

Vazão (cm3/s) 0,00167 0,0167

kS (cm/s) 1,84 x10-4 6,63 x10-4



Por motivos de manuseio do equipo neste ensaio fora aplicada a vazão e esperado

um determinado tempo para a recuperação das cargas as suas condições iniciais

por isso se mostra na Figura 4.5 as subidas e descidas respectivamente

ocasionadas.

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75



4.2.2. Ensaios no campo experimental II PUC-RIO

Para a realização dos ensaios no campo experimental teve-se como principal

motivo da escolha do local a facilidade de acesso, a segurança dos equipamentos e

a existência de pesquisas já realizadas no local. Neste local foram conduzidos

estudos de caracterização geológica e geotécnica (Sertã, 1986; Daylac, 1994)

assim como ensaios de condutividade hidráulica (Diniz, 1998).

O solo ensaiado trata-se de um solo coluvionar maduro de aspecto

homogêneo, argilo-arenoso com fração de argila em torno de 60% a 65%, silte e

areia em torno de 10%, e fração areia-grossa em torno de 20%. Este solo possui

uma condutividade hidráulica saturada de ordem de 10-6cm/s.

4.2.2.1. Resultados dos ensaios realizados no campo experimental

Os ensaios foram realizados no dia 15/09/2008. Nos dias que antecederam

os ensaios choveu bastante na Cidade do Rio de Janeiro, o que favoreceu a

saturação do meio poroso e impediu a realização de ensaios com o permeâmetro

de Guelph.

Os três ensaios tiveram as seguintes características:

• o primeiro com uma vazão constante de 0,000167cm3/s

• o segundo ensaio com uma vazão constante de 0,00167cm3/s.

• o terceiro ensaio com uma vazão constante de 0.0167cm3/s

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76

Os resultados dos ensaios realizados no 15/09/2008 estão descritos na

Tabela 4.5 e nas Figuras 4.8, a 4.13.

Tabela 4.5 Resultados dos ensaios realizados com o Permeâmetro

Vazão (cm3/s) 0,000167 0,00167 0,0167

kS (cm/s) 5,58 x10-5 6,91 x10-5 6,59 x10-5



Figura 4.9 Variação da carga hidráulica e da injeção para o ensaio com vazão de

0.000167 cm3/s

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Figura 4.11 Variação da carga hidráulica e da injeção para o ensaio com a vazão de

0.00167 cm3/s

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injeção de 0,0167 cm3/s

Figura 4.13 Variação da carga hidráulica e da injeção para o ensaio com a vazão de

0.0167 cm3/s

Os resultados do programa experimental mostraram que a condutividade

hidráulica pouco variou com a variação da taxa de injeção. Este comportamento

sugere uma boa repetibilidade nas medições do permeâmetro. Os valores

determinados estão próximos daqueles determinados por Diniz (1998)

empregando o permeâmetro de Guelph.

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79

5 Conclusões

O permeâmetro foi construído em aço inoxidável 316 para garantir uma boa

resistência mecânica e à corrosão. As conexões empregadas também eram do

mesmo material e foram fabricadas pela Swagelok com o qual se conseguiu

minimizar o potencial de vazamentos.

Com o intuito de monitorar a injeção foi instalado um transdutor de

deslocamento na bomba de seringa. Este transdutor monitora o deslocamento do

êmbolo da seringa e, por conseguinte, a quantidade de fluido injetado no meio

poroso.

Uma das grandes fontes de erro residiu nas medições de poropressão

causadas pela existência de bolhas de ar no interior da câmara de medição do

transdutor. E para minimizar este erro o projeto do permeâmetro contemplou

linhas de drenagem que possibilitam a saturação da câmara em qualquer instante

do ensaio. Estas linhas de drenagem também auxiliam a saturação do meio poroso

na região próxima a sonda, garantindo que as hipóteses empregadas por Darcy

(circa 1856) sejam atendidas.

Um programa minucioso de calibração dos transdutores foi conduzido no

intuito de avaliar as suas incertezas e erros. Verificou-se que a exatidão do

transdutor de deslocamento é de 0,0488mm e a do transdutor diferencial de

pressão é de 0,00378 kPa.

O permeâmetro foi avaliado em ambiente laboratorial e de campo. Os

estudos laboratoriais foram realizados no decorrer do desenvolvimento do

equipamento os quais apresentarem resultados semelhantes com respeito aos

ensaios de carga variável utilizados para determinar a permeabilidade do mesmo

tipo de material.

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80

Para os ensaios realizados no Campo Experimental II da PUC-Rio. Os

ensaios conduzidos revelaram um bom desempenho do equipamento,

demonstrando a sua versatilidade e repetibilidade. Os valores da condutividade

hidráulica determinada através de ensaios empregando diferentes taxas de injeção

foram muitos próximos e semelhantes aos valores obtidos por Diniz (1998).

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81

6 Sugestões

Cabe aqui ressaltar que o sistema ainda necessita ser aprimorado. Não foi

possível concluir o módulo de controle.

O qual consistirá de um recipiente onde as válvulas de controle serão

instaladas.

Prevê-se a instalação de uma válvula de seis vias para conectar as portas do

transdutor diferencial e impedir que, acidentalmente, pressões diferenciais

superiores a sua faixa de trabalho sejam aplicadas.

Está previsto ainda uma a instalação de uma válvula de três vias que permita

conectar a bomba de seringa e o reservatório de água necessário a saturação do

meio poroso e das linhas de medição de poropressão.

Adicionalmente serão instaladas conexões de engate rápido para as linhas

que conectarão as linhas de medição de poropressão e injeção ao módulo de

controle.

Prevê-se que todos estes componentes, mais a bomba de seringa, sejam

instalados em uma caixa de compensado naval azul com cantoneiras de alumínio

para efeitos de padronização dos equipamentos de campo do Laboratório de

Avaliação, Monitoramento e Mitigação Ambiental da PUC-Rio.

Sugere-se que após a confecção do módulo de controle o equipamento seja

utilizado pelos pesquisadores do PRONEX para que estes possam avaliar o seu

desempenho em diferentes solos nos Estados onde as suas instituições estejam

sediadas (e.g., São Paulo, Minas Gerais, Bahia).

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82

Há ainda dois fatores a serem investigados: a possibilidade de percolação

preferencial pela parede do permeâmetro e o efeito do método de cravação no

transdutor de pressão.

O primeiro fator pode ser investigado em uma câmara transparente injetando

uma solução aquosa com corante. Sugere-se que este efeito seja inicialmente

investigado em solos arenosos dada a facilidade de sua visualização.

O efeito do método de cravação deverá ser investigado empregando

diferentes técnicas de cravação, i.e. cravação quasi-estática (velocidades de

cravação inferiores a 2cm/s), com emprego de um martelo elétrico e com o

emprego de uma marreta. É de se esperar que o uso da marreta venha a causar os

maiores problemas. No entanto, é importante verificar este efeito posto que com

as restrições ambientais cada vez mais rígidas fica muito difícil abrir picadas em

ambientes florestados para a passagem de equipamentos de cravação.

Recomenda-se a realização da modelagem pelo método de elementos finitos

para avaliar a influencia dos raios de injeções aplicadas nos diferentes tipos de

solos.

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83

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Apêndice

Plano 1:

Plano 2:

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90

Plano 3:

Plano 4:

DBD


91

Plano 5:

Plano 6:

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92

Plano 7:

Desenho da Luva:

Plano 8:

Desenho do Parafuso:

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