Departamento de Engenharia Civil

ESTUDO DAS PROPRIEDADES HIDRÁULICAS DE SOLOS DE ENCOSTA DO RIO DE JANEIRO

Alunos: Breno Verly Rosa e

Alexandre da Rocha Rodrigues

Orientador: Eurípides Vargas do Amaral Junior

João Luis Teixeira de Mello Guedes Pinto

Introdução

O uso e a ocupação inadequada do solo refletem numa maior ocorrência de eventos e

desastres ambientais, caracterizados principalmente pelos movimentos de massa, afetando na maioria das vezes as áreas mais densamente povoadas e de população de baixa renda. Os

prejuízos não são somente ambientais, mas também econômico-financeiros e sociais.

A instabilidade e, como consequência, os escorregamento, pode ocorrer apenas pela infiltração da água de chuva no terreno. Esta infiltração tem como consequência a perda de

sucção, provocando uma redução na resistência ao cisamento do solo [1]. Logo, o estudo e entendimento dos fenômenos envolvidos nos eventos de instabilidade das encostas e

escorregamentos cada vez mais frequentes no Rio de Janeiro e regiões ao redor, necessitam do conhecimento das propriedades de resistência e das propriedades hidráulicas dos solos dessas encostas. Essas propriedades e parâmetros são aplicados, em etapas posteriores, na análise

numérica e de processos de infiltração da água da chuva e também da previsão das possíve is consequências do ponto de vista de estabilidade das encostas.

Solos não saturados

Os solos não saturados são sistemas trifásicos compostos por uma fase sólida (que compreende as partículas minerais do solo), fase líquida (água presente no solo) e fase gasosa

(ar compreendido entre os poros do solo que não estão preenchidos por água). A importância dos

solos não saturados reside não somente no fato de termos a grande maioria dos solos no estado não saturado,

mas é também devida à necessidade de se compreender fenômenos que eram até pouco tempo desconsiderados

nos projetos e nas análises de engenharia. Tais fenômenos tratam em sua grande maioria de aspectos

ambientais, onde o meio ambiente é um elemento fundamental no comportamento do solo [3]. Algumas propriedades e conceitos são importantes quando se fala de estudo de solos não saturados,

assim alguns conceitos e definições são apresentados abaixo.

Curva Característica

A curva característica ou curva de retenção de água relaciona a quantidade de água presente no solo e a sucção (pressão negativa da água presente nos poros de um solo), sendo fundamental para a caracterização hidráulica dos materiais porosos, para a compreensão

dos fenômenos relacionados com o fluxo, a resistência e a compressibilidade dos solos não saturados [3]. A curva característica é propriedade particular de cada material poroso e, entre

outros fatores, está relacionada com a granulometria do solo. Neste trabalho a quantidade de água foi definida utilizando-se o teor de umidade volumétrico.

Permeabilidade saturada não saturada

Permeabilidade é a medida da capacidade de um meio poroso em transmitir um fluido. Quanto maior a permeabilidade de um meio, maior sua capacidade de transmissão. Nos solos

não saturados a permeabilidade varia e depende do seu grau de saturação, ou seja, da quantidade de água presente nos seus vazios e, á essa relação – coeficiente de permeabilidade e saturação – é dado o nome de função permeabilidade.

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Objetivos

O principal objetivo do trabalho foi o estudo e levantamento das propriedades hidráulicas de solos de encostas típicos do Rio de Janeiro, a fim de se criar um banco de dados

relacionando os tipos de solos encontrados e suas propriedades hidráulicas relevantes (curva característica, permeabilidade saturada e parâmetros do modelo de Van Genutchen).

Metodologia

Áreas de Estudo

Até o momento foram estudadas cinco áreas ao longo do Rio de Janeiro, a saber:

Campo Experimental PUC-Rio, Costa Brava, Rio Bonito, Campo Grande e Duque de Caxias, escolhidos pela origem e por representar diferentes tipos de solos residuais encontrados na

cidade e região metropolitana. A tabela abaixo (Tabela 1) apresenta a categorização dos solos residuais estudados relativos ao material de origem dos mesmos.

Localidade Classificação Geotécnica Litologia

Campo Grande Residual Jovem Biotita Gnaisse

Costa Brava Residual Saprolítico Gnaisse Facoidal

Duque de Caxias Residual Jovem Migmatito Melanocrático

Rio Bonito

Residual Jovem

Alcalino

Residual Maduro

Campo Experimental

PUC-Rio, Gávea Colúvio Transportado Kinzigito

Tabela 1: Classificação geotécnica e localização dos solos do estudo

A Figura 1 apresenta a localização e distribuição dos solos estudados obtida de imagem de satélite a partir do software Google Earth.

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Figura 1: Localização das áreas do estudo, Rio de Janeiro e região metropolitana. Imagem de satélite, Google Earth

Caracterização Física

Em cada localidade, após a realização dos ensaios de campo, foram colhidas amostras

de solos que eram acondicionadas apropriadamente e levadas ao laboratório de geotecnia da PUC-Rio onde eram realizados ensaios para a caracterização física dos solos, a fim de sua

classificação. Os ensaios laboratoriais realizados são apresentados e resumidamente descr itos abaixo e os resultados dos ensaios apresentados no item Resultados e Conclusões.

Análise Granulométrica: peneiramento e sedimentação

A análise granulométrica do solo visa determinar a porcentagem em massa que cada fração do solo de determinado diâmetro possui em relação á massa total da amostra. Nesse

estudo a análise granulométrica foi realizada por combinação do método de peneiramento e sedimentação (para fração mais fina do solo), ambos realizados conforme os procedimentos normatizados pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) na norma NBR

6502/95 (Solo – Análise Granulométrica).

Densidade real dos grãos

Os ensaios realizados para a determinação da densidade real dos grãos nos permite determinar a densidade das partículas que constituem o solo. Os ensaios foram realizados conforme procedimentos normatizados pela Associação Brasileira de Normas Técnicas

(ABNT) - NBR 6508/84 (grãos de solos que passam na peneira de 4,8mm – Determinação da massa Específica).

Limites de Atterberg: plasticidade e liquidez

O limite de plasticidade (LP) é o teor de umidade abaixo do qual o solo perde a capacidade de ser moldado e passa a ficar quebradiço. Já o limite de liquidez (LL) é o teor de

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umidade acima do qual o solo adquire o comportamento de um líquido. As normas que descrevem os procedimentos para realização dos ensaios de plasticidade e liquidez são, respectivamente, a NBR 7180/84 (Solo – Determinação do limite de plasticidade) e a NBR

6459/84 (Solo – Determinação do limite de liquidez). O índice de plasticidade (IP), outro parâmetro físico importante, é obtido pela subtração do limite de liquidez (LL) pelo limite de

plasticidade (LP). Os ensaios realizados nos solos do estudo seguiram as normas técnicas já mencionadas (Figura 2).

Figura 2: Cápsulas com solos dos ensaios antes de serem levados à estufa para a

determinação da umidade

Ensaio de campo: EIM (Ensaio de Infiltração Monitorada)

O ensaio de infiltração monitorada consiste em determinar a variação da carga de

pressão com o tempo quando é aplicada uma carga hidráulica constante. A partir desse ensaio, descrito por Velosso (2000) como simples, prático e confiável, é possível a identificação dos

parâmetros hidráulicos do modelo de Van Genuchten. Após a realização dos ensaios de infiltração monitorada os parâmetros foram retro-analisados com uso do programa Hydrus 2D/3D, somente três dos parâmetros (α, n e ksat) podem ser estimados independentemente, o

parâmetro l foi fixado em 0,5 e, nesse estudo, fixou-se o valor de θr com valores próximos a 10% de θs [2]. Os valores encontrados para as propriedades hidráulicas dos solos estudados

são apresentados em item posterior.

Os equipamentos utilizados neste ensaio de campo são:

Permeâmetro de Guelph: permeâmetro de campo de carga constante composto por um

tripé que permite o ajuste do equipamento no terreno e uma garrafa de Mariotte, que consiste num reservatório de água capaz de aplicar uma carga constante (mantém o nível constante no furo realizado para o ensaio).

Tensiômetro: aparelho utilizado na medição da sucção de um solo. Os tensiômetros

interagem com o solo por meio de uma pedra porosa que “interliga” a água do solo com a água do tensiômetro. A sucção é obtida medindo-se a pressão da água do tensiômetro, que por estar em equilíbrio com a água do solo tem a mesma pressão [3].

Data logger: para converter o sinal analógico para digital e o computador com o

software para gravar os dados coletados.

A Figura 3 mostra a configuração do ensaio de infiltração monitorada acontecendo.

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Figura 3: Realização do ensaio de infiltração monitorada (EIM)

Resultados e Conclusões

Os resultados dos ensaios, laboratoriais e de campo, realizados serão mostrados a seguir subdivididos por área de estudo. Para cada localidade é apresentado os resultados encontrados para a caracterização do solo, densidade real dos grãos, limites de liquidez e plasticidade e

porosidade e ainda os valores para a condutividade hidráulica, α, θr e θs, juntamente com as curvas de condutividade hidráulica e curva característica dos mesmos.

Campo Grande

O solo encontrado em Campo Grande, bairro da Zona Oeste de Rio de Janeiro, apresenta litologia de biotita gnaisse, sendo considerado como residual jovem de textura

majoritariamente arenosa – 86,5% em peso de fração areia. O solo também não apresentou limite de Atterberg.

Pedregulho

(%)

Areia Grossa

(%)

Areia Média

(%)

Areia Fina

(%)

Silte

(%)

Argila

(%)

4,1 38,1 31,8 15,7 7,6 2,7

Tabela 2: Granulometria, Campo Grande

Gs gd (g/cm³) n LL LP

2,74 1,35 0,505 NL NP

Tabela 3: Dados caracterização, Campo Grande

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Gráfico 1: Curva granulométrica, Solo residual Biotita Gnaisse, Campo Grande

Propriedades Hidráulicas – Campo Grande

θr θs α (cm-1) n ksat (cm/s)

0,051 0,51 8,41E-03 1,81 1,19E-04

Tabela 4: Propriedades hidráulicas, Solo Residual, Campo Grande

Costa Brava

O solo residual encontrado na localidade do Costa Brava, no Rio de Janeiro, apresenta litologia de gnaisse facoidal, rocha encontrada em bastante abundância na cidade e que apresenta em sua constituição, principalmente, minerais de feldspato, quartzo e biotita. Esse

solo pode ser considerado como arenoso – aproximadamente 75% de sua granulometria correspondem a areia e não apresentou limites de liquidez e plasticidade.

Gs gd (g/cm³) n LL LP

2,81 1,39 0,51 NL NP

Tabela 5: Dados caracterização, Costa Brava

Pedregulho

(%)

Areia Grossa

(%)

Areia Média

(%)

Areia Fina

(%)

Silte

(%)

Argila

(%)

12,0 35,0 28,1 11,2 6,1 4,9

Tabela 6: Granulometria, Costa Brava

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100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Po

rcen

tagem

retid

a (%)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

Po

rce

nta

gem

qu

e p

assa

(%

)

Diâmetro dos grãos (mm)

CB21/22 CB21/22

Gráfico 2: Curva granulométrica, Solo residual Gnaisse Facoidal Costa Brava

Propriedades Hidráulicas - Costa Brava

θr θs α (cm-1) n ksat (cm/s)

0,065 0,506 0,022469 2,6782 0,00099308

Tabela 7: Propriedades hidráulicas, Solo Residual, Costa Brava

Gráfico 3: Condutividade Hidráulica, Costa Brava

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Gráfico 4: Curva Característica, Costa Brava

Duque de Caxias

O solo estudado na região de Duque Caxias, região metropolitana do Rio de Janeiro

corresponde a um solo residual jovem com litologia de Migmatito, definido também como melanocrático, ou seja, com elevada presença de minerais máficos (minerais ricos em

magnésio e ferro). Esse solo estudado apresentou baixa plasticidade podendo ser caracterizado como silto-arenoso (61,6% de areia e 36,6% de silte).

O solo possui elevada densidade relativa dos grãos e também elevada porosidade, se

comparado com o s outros solos do estudo, apresentando 2,843 e 0,55, respectivamente. Os outros resultados encontrados, inclusive para as propriedades hidráulicas saturadas do solo,

são apresentados abaixo.

Pedregulho Areia

Grossa

Areia

Média

Areia

Fina Silte Argila

0,4 3,8 24,4 33,4 36,6 1,3

Tabela 7: Granulometria, Duque de Caxias

Gs gd

(g/cm³) n LL LP IP

2,843 1,27 0,55 50,3 48,3 2,0

Tabela 8: Dados caracterização, Duque de Caxias

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Gráfico 5: Curva granulométrica, Solo residual de Migmatito, Duque de Caxias

Propriedades Hidráulicas - Residual Jovem de

Migmatito, Duque de Caxias

θr θs a(cm-1) n ksat (cm/s)

0,007 0,55 8,99E-03 1,28E+00 3,09E-04

Tabela 9: Propriedades hidráulicas, Solo Residual, Duque de Caxias

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Gráfico 6: Condutividade Hidráulica, Duque de Caxias

Gráfico 7: Curva Característica, Duque de Caxias

Rio Bonito, RJ

Foram dois os solos ensaiados nessa localidade, porém ambos de mesma litologia alcalina: solo residual jovem e solo residual maduro. O solo residual jovem, encontrado na

base de um talude, apresentou elevado percentual de fração areia, cerca de 65% (38,1% de areia grossa, 15% de areia média e 11,5% de areia fina). Já o solo residual maduro,

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encontrado no topo do talude, apresentou em sua maioria fração areia e também relevantes porcentagens de silte e argila (41,3%, 34% e 23,8%, respectivamente). Com relação á porosidade, o solo residual jovem apresentou o valor de 0,41 enquanto que o residual maduro

apresentou o valor de 0,54.

1009080706050403020100

Po

rcen

tagem

retid

a (%)

0102030405060708090

100

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

Po

rce

nta

gem

qu

e p

assa

(%

)

Diâmetro dos grãos (mm)RB RT

Gráfico 8: Curva granulométrica, Rio Bonito

Solo Residual Jovem, Rio Bonito:

Pedregulho Areia

Grossa

Areia

Média

Areia

Fina Silte Argila

14,9 38,1 15,0 11,5 16,9 3,5

Tabela 10: Granulometria, Rio Bonito

Gs rd

(g/cm³) n LL LP IP

2,741 1,604 0,41 34,4403 33,6443 0,795991

Tabela 11: Dados caracterização, Rio Bonito

Propriedades Hidráulicas - Residual Jovem

(Base talude), Rio Bonito

θr θs a(cm-1) n ksat (cm/s)

0,078 0,415 0,005344 1,1622 0,00035152

Tabela 12: Propriedades Hidráulicas, Rio Bonito

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Gráfico 9: Condutividade Hidráulica, Rio Bonito

Gráfico 10: Curva Característica, Rio Bonito

Solo Residual Maduro, Rio Bonito:

Pedregulho Areia

Grossa

Areia

Média

Areia

Fina Silte Argila

0,9 15,1 7,3 18,9 34,0 23,8

Tabela 13: Granulometria, Rio Bonito

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gd

(g/cm³) n LL LP IP

2,74 0,54 47,5126 39,4669 8,045706

Tabela 14: Dados caracterização, Rio Bonito

Propriedades Hidráulicas - Solo Residual

Maduro (Topo talude) , Rio Bonito - RJ

θr θs a(cm-1) n ksat (cm/s)

0,03 0,539 0,004676 1,4535 5,92E-05

Tabela 15: Propriedades Hidráulicas, Rio Bonito

Gráfico 11: Condutividade Hidráulica, Rio Bonito

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Gráfico 12: Curva característica, Rio Bonito

Campo Experimental PUC-Rio, Gávea

O solo encontrado no Campo Experimental da PUC-Rio tem origem de gnaisse

kinzigito e classificado como solo coluvionar. A granulometria encontrada nesse solo apresenta majoritariamente fração argilosa. As tabelas abaixo apresentam os resultados

encontrados para o solo do meio do talude.

Pedregulho Areia

Grossa

Areia

Média

Areia

Fina Silte Argila

0,1 0,2 14,7 17,4 2,8 64,8

Tabela 16: Granulometria, Campo Exp. PUC-Rio

Gs gd

(g/cm³) n LL LP IP

- - - 43,9 32,1 11,7

Tabela 17: Dados caracterização, Campo Exp. PUC-Rio

Propriedades Hidráulicas – Campo

Experimental PUC-Rio, Gávea

θr θs a(cm-1) n ksat (cm/s)

0,051 0,44 6,61E-03 1,28 5,03E-03

Tabela 18: Propriedades Hidráulicas, Campo Exp. PUC-Rio

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100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0P

orce

ntage

m re

tida (%

)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

Po

rce

nta

gem

qu

e p

assa

(%

)

Diâmetro dos grãos (mm)

PM PT2 PT1

Gráfico 13: Curva granulométrica, Campo Experimental, PUC-Rio, Gávea

Conclusão

De maneira geral, os solos ensaiados podem ser classificados, segundo o método de classificação SUCS (Sistema Unificado de Classificação dos Solos) como arenosos e areno-siltosos (SW e SM) com pouca plasticidade e apresentaram índices físicos médios de Gs igual

a 2,68, ρd (densidade específica) 1,40 g/cm³ e n (porosidade) 0,48. O solo residual encontrado na localidade Costa Brava (correspondente a litologia de um gnaisse facoidal) foi o que

apresentou maior permeabilidade saturada, com Ksat aproximadamente de 10-3 cm/s. Para os solos residuais jovens de Duque de Caxias (correspondente a litologia de um migmatito e de rochas alcalinas, respectivamente) foram encontradas permeabilidades saturadas em torno de

10-4 cm/s. Observou-se também que os solos com maiores porcentagens de finos foram os que apresentaram menor variação da umidade com o aumento da sucção. Com relação aos valores

dos parâmetros hidráulicos encontrados, esses variam em torno de 8,71x10-02 cm-1 para o parâmetro a, sendo o maior valor encontrado de 1,81x10-2 cm-1 para o solo residual saprolítico ensaiado da localidade Costa Brava e o menor valor encontrado de 8,99x10-3 cm-1 para o solo

coluvial transportado de Duque de Caxias. A média geral para os valores de θr e θs

encontrados são, respectivamente: 0,0436 e 0,507.

Referências

[1] Campos, L. E. Influência da sucção na estabilidade de taludes naturais em solos

residuais. Dissertação de Mestrado DEC/PUC-Rio, Rio de Janeiro, 1984.

[2] Teixeira, M. G. P. J. L. Determinação das propriedades hidráulicas dos solos residuais

do Rio de Janeiro. Dissertação de Mestrado DEC/PUC-Rio, Rio de Janeiro, 2013. [3] Maarinho, F. A. Os solos não saturados: aspectos teóricos, experimentais e aplicados .

Texto- Departamento de engenharia de estruturas - Escola politécnica da universidade de São Paulo, agosto 2005.

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[4] Moncada, M. P. Avaliação de Propriedades Hidráulicas de Solos Tropicais Não

Saturados. Tese de Doutorado – DEC/ PUC-RIO, Rio de Janeiro, 2008.

[5] Velloso, R. Q. Estudo numérico da estimativa de parâmetros

hidráulicos em solos parcialmente saturados . Dissertação de Mestrado DEC/PUC-Rio, Rio de Janeiro, 2000.

[6] Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 6459: Solo - determinação do limite de liquidez.

[7] Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 6508: grãos de solo que passam na peneira de 4,8 mm – determinação da massa específica.

[8] Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 7180: Solo - determinação do limite de

plasticidade. [9] Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 7181: Solo: análise granulométrica. Rio

de Janeiro, 1984.