Modelo Fisico de Uma Barreira Capilar Inclinada Final

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    UNIVERSIDADE FEDERAL DA INTEGRAÇÃO LATINO-AMERICANA

    INSTITUTO LATINO-AMERICANO DE TECNOLOGIA, INFRAESTRUTURA E

    TERRITORIO - ILATITENGENHARIA CIVIL DE INFRAESTRUTURA

    Clara Elizabeth Villasboa

    Gissela Michell Chang Callupe

    José Cáceres Herrera

    Yoshin Efrain Contreras Oscco

    MODELO FISICO REDUZIDO DE UMA BARREIRA CAPILARINCLINADA

    FOZ DO IGUAÇU - PR

    2015

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    Clara Elizabeth Villasboa

    Gissela Michell Chang Callupe

    Jose Cáceres HerreraYoshin Efrain Contreras Oscco

    MODELO FISICO REDUZIDO DE UMA BARREIRA CAPILAR

    INCLINADA

    Trabalho apresentado como requisito parcial paraobtenção de aprovação na disciplina Mecânicados Solos II no Curso de Engenharia Civil deInfraestrutura, na Universidade Federal daIntegração Latino-Americana.

    Professor: M. Sc. Júlio César Bizarreta Ortega.

    FOZ DO IGUAÇU - PR

    2015

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    RESUMO

    Existe uma grande variedade de sistemas de coberturas do solo, no caso para

    fechamento de depósitos de resíduos sólidos e industriais têm-se barreiras

    hidráulicas, solos compactados entre outras. A escolha de um sistema de cobertura

    depende de fatores como custo, eficiência, etc. Uma barreira capilar é uma opção

    relativamente fácil de ser executada e seu controle de qualidade na execução é

    menos oneroso comparado com outros sistemas de cobertura, porem sua utilização

    visando um bom rendimento (i.e. evitar a maior quantidade de infiltração de agua)

    num determinado projeto depende de fatores como ângulo de inclinação, espessura

    da camada, diferença de permeabilidades entre outros.

    Neste trabalho pretende-se: Observar o fenômeno de barreira capilar num modelo

    físico reduzido. Para isto foram realizados cinco experimentos sendo registrados

    mediante vídeos e fotos os quais serão detalhados a seguir.

    Palavras-chave: Modelo físico reduzido, Barreira capilar.

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    SUMÁRIO

    1. INTRODUÇÃO.....................................................................................................3

    2. OBJETIVOS.........................................................................................................4

    3. DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO..............................................................4

    3.1. Revisão Bibliográfica...................................................................................4

    3.1.1. Modelo Físico reduzido.........................................................................43.1.2. Barreira Capilar......................................................................................4

    3.2. Procedimento experimental ........................................................................5

    3.2.1. Construção do modelo físico reduzido ...............................................5

    3.3. Apresentação dos resultados ...................................................................11

    4. REFERÊNCIAS .................................................................................................16

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    1. INTRODUÇÃO

    O estudo do fenômeno da barreira capilar do solo vem-se tornando importante

    desde que sua aplicação em sistemas de cobertura final de aterros indica uma boa

    relação custo/beneficio e menor impacto ambiental, nesse sentido os pesquisadores

    da área iniciaram-se no estudo das forças capilares dentro do solo em condições

    não saturadas e climas áridos e semi – áridos ; procurando modelar, de forma física

    e numérica, os parâmetros que afetam o efeito em questão.

     A barreira capilar em termos simples vem a ser a superposição de, no

    mínimo, dois materiais de diferente contextura (i.e. material grosso e material fino),

    esse contraste dos materiais que possuem diferentes características hidráulicas

    permite o efeito da barreira com a finalidade de evitar a infiltração de fluidos (e.g.

    agua da chuva, chorume, etc.).

    Existem duas possibilidades de barreira capilar, de forma horizontal e

    inclinada. A barreira capilar inclinada ajuda a drenar o fluido armazenado na barreira

    para que não se rompa o equilíbrio entre as duas camadas de solo já que com otempo a maior agua armazenada maior capacidade infiltrar a camada grossa.

    No presente trabalho optou-se por estudar um modelo físico de uma barreira

    capilar inclinada na cidade de Foz do Iguaçu para isto foram realizados

    experimentos da infiltração da agua de chuva, os experimentos têm características

    variadas desde o tipo de material, a forma da chuva e o recipiente contendor.

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    2. OBJETIVOS

    O trabalho tem por objetivo observar o efeito de barreira capilar no solo

    mediante a experimentação física num modelo físico reduzido.

    3. DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO

    3.1.Revisão Bibliográfica

    3.1.1. Modelo Físico reduzido

    Um modelo é uma representação ou interpretação simplificada da realidade,onde se estuda o detalhamento do comportamento de uma estrutura.

    Na área da engenharia são conhecidas como modelos físicos as construções

    em uma escala reduzida de obras de engenharia para estudar seu comportamento,

    e de essa maneira pode permitir aperfeiçoar os desenhos, antes de iniciar a

    construção das obras reais. O modelo físico em esta área também é conhecido

    como modelo reduzido, a qual se usa com frequência para os estudos de eclusas,portos, represas, pontes, aeroportos, etc.(ARQHYS).

    3.1.2. Barreira Capilar 

    De acordo com Silva (2011), barreira capilar é o nome dado ao arranjo

    formado por uma camada de material de textura fina sobreposta a uma camada de

    material de textura grossa que, em condições não saturadas, impede ou restringe aentrada da água nos poros maiores deste último material.

    Nessas condições, o solo granular abaixo do solo fino apresenta baixo teor de

    umidade volumétrica e, consequentemente, baixa condutividade hidráulica não

    saturada que limita o movimento de fluxo de água descendente da camada de solo

    fino (AUBERTIN et al ., 2006).

    O objetivo de este sistema de cobertura é minimizar o volume de água que se

    infiltra no aterro e atinge as camadas subjacentes juntamente com sistemas de

    drenagem instalados antes e depois dos sistemas de cobertura (IZZO, 2013).

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    Para permitir um fluxo livre de água na camada capilar, uma inclinação

    mínima entre 10 a 20° é necessária. Na zona de contato entre os dois materiais, a

    mudança brusca, entre poros pequenos na camada capilar e mais largos na de

    bloqueio, resulta no efeito final que é a não passagem de líquidos para as camadas

    subjacentes. Somente quando a coluna de água for suficientemente grande, ao

    ponto da pressão de água superar a força capilar, ocorrerá, então, a passagem de

    líquido em uma barreira capilar (IZZO, 2013).

    Observa-se na Figura 1 o funcionamento bidimensional da barreira capilar e

    sua possível falha que pode acontecer.

    Figura 1 Representação de uma barreira capilar.

     A barreira capilar tende a ser quebrada quando as condutividades hidráulicas

    dos dois solos são iguais. Neste momento, inicia-se o fluxo da camada de solo

    superior para a camada de solo inferior. Caso a barreira capilar seja mantida durante

    o processo de infiltração no solo superior, o solo fino pode armazenar a água que

    infiltrou escoando o excesso de água pela drenagem lateral (FURLAN, 2008).

    3.2.Procedimento experimental

    3.2.1. Construção do modelo físico reduzido

     A construção do modelo físico reduzido foi realizado por tentativas seguindo a

    bibliografia e modelos já realizados, para a qual foram utilizadas: solos de diferentes

    granulometrias, um recipiente (caixa plástica e caixa de vidro) com três buracos por 

    um lado para a saída da agua do modelo (dreno), aspersor de agua, garrafa comagua, telas (gaza), sacolas plásticas.

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    Figura 2 Caixa de plástico e vidro

    Figura 3 Casacalho para o dren Figura 4 Cascalho

    Figura 5 Gaza Figura 6 Garrafa com agua

    Experimento 1

    Neste experimento foram utilizadas areia media, areia fina e cascalho.

    Primeiramente foi colocado a areia media com inclinação de 22° aproximadamente

    em todo o comprimento da forma (caixa), sobre ela foi colocada a areia fina com

    uma espessura de aproximadamente 7cm deixando um espaço de 5cm para acolocação do cascalho com função de dren (figura 7), entre a areia media e o dren

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    foi colocado horizontalmente uma sacola com função impermeabilizante, da mesma

    forma foi colocada uma gaza em forma vertical entre o cascalho e a areia fina que

    impeça a passagem do solo fino para o cascalho.

    Figura 7 Modelo fisico1-vista de perfil

    Figura 8 Dren feita com cascalho Figura 9 Modelo fisico1-vista de planta

    Uma vez realizado o modelo, este foi levado para a câmera do aspersor para simular 

    uma chuva e consequentemente fazer a observação.

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    Experimento 2

    Neste segundo experimento foram utilizadas areia media, areia fina e cascalho.

    Este experimento foi realizado com os mesmos materiais que o primeiro e o

    procedimento foi similar tanto para a construção do modelo como para a simulação

    da chuva com a diferença que para este caso a sacola de plástico foi estendida

    passando até parte da interseção da areia grosa com a fina (figura 10).

    Figura 10 Figura 8Modelo fisico2-vista de perfil

    Experimento 3

    Neste experimento foram utilizadas areia grosa, solo residual e cascalho.

    Primeiramente foi colocado a areia grosa com inclinação de 21° aproximadamente

    formando um talude em todo o comprimento da forma (caixa), sobre ela foi colocada

    o solo residual 5cm aproximadamente seguido de 5 cm de cascalho para o dren

    (figura 11), entre a areia grosa e o dren foi colocado horizontalmente uma sacolacom função impermeabilizante passando até a interseção da areia grosa e a areia

    fina, da mesma forma foi colocada uma gaza em forma vertical entre o cascalho e o

    solo residual (figura 12).

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    Figura 11 Modelo fisico3-colocação do dren

    Figura 12 Modelo fisico3-colocação da segunda camada de solo

    Uma vez concluído o modelo desta vez a agua foi adicionada mediante uma garrafa,

    sendo colocada sobre o capa de solo papel toalha (figura 13) para evitar o contato

    brusco da agua evitando erosão.

    Figura 13 Colocação de papel para adicionar a agua

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    Experimento 4

    Neste experimento foram utilizadas cascalho e areia fina.

    Foi colocado a primeira camada de cascalho com uma inclinação de 23°

    aproximadamente em todo o comprimento da caixa de vidro, sobre ela foi colocado

    uma camada de areia fina de 8 cm de espessura também em todo o comprimento da

    caixa, colocando-se na interseção de ambos materiais uma sacola plástica no final

    do talude (figura 14).

    Figura 14 Modelo fisico4-vista de perfil

    Uma vez concluído o modelo desta vez a agua foi adicionada mediante uma garrafa,

    sendo colocada sobre a capa de solo uma tela para evitar o contato brusco da agua

    evitando erosão.

    Experimento 5

    Neste experimento foram utilizadas areia fina e solo residual de Foz do Iguaçu.

    Foi colocada sobre o cascalho uma camada de areia fina com uma inclinação de 24°

    aprox. e 10 cm de espessura em todo o comprimento da caixa de vidro,

    posteriormente sobre ela foi colocado o solo residual com uma espessura de 5cm

    (figura 15).

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    Figura 15 Modelo fisico5-vista de perfil

    Uma vez concluído o modelo a agua foi adicionada mediante uma garrafa, sendo

    colocada sobre o capa de solo uma tela (figura 16) para evitar o contato brusco da

    agua evitando erosão.

    Figura 16 Modelo fisico5- tela sobre o solo para a adição de agua

    .

    3.3.Apresentação dos resultados

    Experimento 1:

    Observou-se a infiltração da agua no meio da barreira já que o aspersor (chuva)

    estava centrado na metade do recipiente e a altura era longa o que provocou erosão

    do solo; a agua não foi para o dren devido ao curto comprimento de sacola plástica.

    Também se ressalta que a intensidade alta da chuva poderia ser uma causa para

    que o acumulo de agua não permitisse recuperar a barreira e possa desviar a agua.

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    Figura 17 Resultado do experimento 1

    Figura 18 Efeito da concentração da chuva num ponto

    Experimento 2:

    Observou-se que colocando um plástico para evitar a grande altura do aspersor se

    evito a erosão, mas a intensidade continuo sendo grande o que permitiu infiltração

    da agua e por tanto rompimento da barreira.

    Também pode ser por uma má compactação dos materiais que não alcance ao dren

    e rompa antes.

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    Figura 19 Inicio de infiltração

    Figura 20 Resultado do experimento 2

    Experimento 3:

    Observou-se uma infiltração na primeira camada isto ocorre devido a que a argila

    estava muito úmida e a simulação de chuva não foi bem feita e a granulometria das

    amostras não tinha muita diferença.

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    Figura 21 Inicio da infiltração

    Experimento 4:

    Observou-se o rompimento da barreira capilar em todo o comprimento, uma dascausas pode ser a falta de preenchimento de espaços vazios entre a interface de

    material grosso e fino, neste caso ao trocar o material grosso, o cascalho deixo

    alguns espaços vazios.

    O efeito da chuva mediante a colocação de um pano e lançamento da agua perto

    evitou a erosão.

    O efeito de trocar o recipiente por um maior, afeto na barreira no sentido de poder 

    manter um angulo de inclinação maior e assim facilitar a drenagem da agua.

    Figura 22 a e b Simulação do modelo de Marinho (1997)

    Experimento 5:

    Observou-se o correto funcionamento da barreira não permitindo a infiltração da

    agua no material grosso e percorrendo o comprimento ate chegar ao dren. Já depois

    de um tempo a barreira rompeu uma mínima quantidade de agua.

    Do experimento pode-se ressaltar que:

    •  A diferença de permeabilidades foi o suficiente;

    • Foi feita uma boa compactação na interface dos materiais;

    •  A intensidade da chuva moderada permitiu a drenagem;

    Foram medidos os seguintes parâmetros do experimento:

    •  Angulo de inclinação 24 graus;

    • Comprimento 24 cm, Largura 10 cm e altura de 50 cm;

    • Espessura da camada fina: 5 cm;

    • Espessura da camada grossa: 10 cm;

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    Figura 23 Avanço do fluxo lateral na camada superior 

    Figura 24 Fluxo lateral em todo o comprimento do modelo

    Figura 25 O fluxo lateral alcançou o dren e começo a infiltrar à camada grossa

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    4. REFERÊNCIAS

     ALMEIDA, Julia Righi de. Estudo do comportamento de barreira capilar ematerro de resíduos. 2011. 175 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de EngenhariaCivil, Instituto Alberto Luiz de Coimbra Coppe, Universidade Federal de Rio deJaneiro, Rio de Janeiro, 2011. Disponível em:. Acesso em: 16 nov.2015.

     AUBERTIN, M.; CIFUENTES, E.; MARTIN, V... An investigation of factors thatinfluence the water diversion capacity of inclined covers with capillary barrier effects. Centre-ville, Montreal, Qc, Canada: Universite Du Quebec En Abitibi-temiscamingue, 2010. 12 p. Disponível em:. Acesso em: 15

    nov. 2015. AUBERTIN, M.; CIFUENTES, E.; APITHY, S.a.. Analyses of water diversion alonginclined covers with capillary barrier effects. In: ENVIROMENT AND MINE WASTESMANAGEMENT, 46., 2010, Montreal. Proceedings.... Montreal: NRC ResearchPress, 2009. p. 1 - 19.

     ARQHYS. Modelos Fisicos. Disponivel em: <http://www.arqhys.com/arquitectura/fisicos-modelos.html>. Acesso em: 01 dic.2015.

    FURLAN, G. C. Avaliação da Influência de um agente repelente sobre as

    propriedades mecânicas e hidráulicas de um solo arenoso. Dissertação deMestrado, Departamento de Construção Civil, Universidade Federal do Paraná,Curitiba, 105p (2008)..

    KÄMPF, Markus; MONTENEGRO, Hector. On the performance of capillary barriersas landfill cover. Hydrology and Earth System Sciences, v. 1, n. 4, p. 925-930,1997.

    IZZO, Ronaldo Luis dos Santos; MAHLER, Claudio Fernando; ROSE, JulianaLundgren. Barreira Capilar construída com resíduo pre-tratado mecânica ebiologicamente. Engenharia Sanitaria Ambiental, Curitiba, v. 4, n. 18, p.303-312,

    10 nov. 2013.

    PARENT, Serge-etienne;CABRAL, Alexandre.Design of inclined covers with capillarybarrier effect.In: GEOTECHNICAL AND GEOLOGICAL EGINEERING, 24., 2006,Quebec. Proceedings... . Quebec-canada: Springer, 2006. p. 689 - 710.

    SILVA, Paulo Agusto Diniz. Estudo do Fenômeno de Barreira Capilar:Modelagem numérica e experimentação física. 2011. 187 f. Tese (Doutorado) -Curso de Engenharia Civil, Escola de Engenharia da Ufmg, Universidade Federal deMinas Gerais, Belo Horizonte, 2011. Disponível em:. Acesso em: 15 nov. 2015.