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PERCOLAÇÃO E ADENSAMENTO NOS SOLOS
1° PERIODO DE 2014
Capilaridade nos solos e suas implicações na Engenharia Civil
Cristian Yair Soriano Camelo
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Departamento de Engenharia Civil
cysorianoc@unal.edu.co
Abstract: This document presents a brief description of the mechanism of capillarity as physical
phenomenon of fluids, taken from a literature review with particular interest in the water, the object of
analysis in this course. Problems and implications that can occur in civil engineering projects in terms
of the consideration of negative pore pressures are then posed. Finally a mitigation measure of
capillarity and the respective findings of this literature review are presented
Keywords: Capillarity, Pore pressures, Civil Engineering.
1 Capilaridade nos solos
Capilaridade é um exemplo do mecanismo de tensão
superficial nos líquidos. Basicamente o processo de
capilaridade é resumido pelo fato de que a água pode
ser elevada e mantida a certa altura da linha de
pressão atmosférica num tubo capilar de pequeno
diâmetro.
1.1 Mecanismo da capilaridade
A capilaridade é uma combinação de forças de
adesão e coesão. Há substancias sólidas que têm uma
superfície eletronegativa e atraem o oxigeno na parte
eletropositiva das moléculas de água. Os efeitos da
adesão (atração das moléculas de agua, neste caso por
uma superfície sólida) são maiores do que a atração
entre as moléculas de água (coesão). Por isso, é
possível que a agua possa ascender ao longo da
superfície sólida do tubo capilar; na interfase água, ar
e superfície sólida, forma-se um angulo menor que
90° ( Figura 1)
.
Figura 1. Efeitos capilares da coesão e adesão
( Shames, 1995).
Olhando de uma forma mais cuidadosa, há uma série
de forças que actuam sobre a coluna de água capilar,
conforme mostrado na Figura 2.
Figura 2. Forças atuantes numa coluna de agua
capilar ( Kovacs, 1981).
Onde,
W = peso da coluna de água
T = Tensão superficial
Patm = Pressão atmosférica
a = angulo do menisco na interfase água, superfície
sólida e ar
Na figura 2 é apresentada a distribuição das pressões
na coluna de agua capilar, acima do nível de pressão
atmosférica, as pressões são negativas, embaixo deste
nível as pressões são hidrostáticas positivas. Em
consequência, as pressões de poros em qualquer
elevação da coluna de água são o produto da altura
medida desde o nível de agua sob pressão atmosférica
( nível freático em solos ) e seu peso específico.
No caso dos solos, a capilaridade produz uma
elevação da agua acima do nível freático. A altura
que pode ser atingida é inversamente proporcional ao
2
tamanho das aberturas dos sólidos na interface ar-
água.
No Quadro 1, apresentam-se resultados de ensaios de
capilaridade e as faixas de alturas que podem ser
atingidas por diferentes solos não coesivos.
Quadro 1. Ensaios de capilaridade (Lane e
Washburn, 1946).
2. Implicações na Engenharia Civil
da capilaridade nos solos
Em solos expansivos e colapsíveis, que estão acima
do nível freático, ocorrem pressões de poros
negativas e se o balanço de entrada e saída da água
permanece constante, os problemas de expansão e
colapso não estão presentes. No entanto, se existirem
alterações no conteúdo de umidade no solo, serão
produzidas mudanças nas pressões de poros,
aumentos do volume nos solos expansivos e
diminuição do volume nos solos colapsíveis.
2.1 Problemas de compactação
Alguns solos como siltes não plásticos, areias muito
finas, quando se compactam em áreas onde o nível
freático é alto, atraem agua capilar à superfície e
tornam-se friáveis com a perda quase total de sua
resistência.
2.2 Rachaduras em aterros
Em locais com forte ação climática (longas
temporadas de chuvas seguidas de temporadas secas),
é possível imaginar que no final da estação, os
materiais do aterro tenham um alto conteudo de agua
pela ação combinada dos efeitos naturais e a
capilaridade, de modo que quando começar a estação
seca seja produzida uma forte evaporação do solo
exposto, que ocorrera principalmente nos taludes de
corte do aterro gerando contrações volumétricas e
rachaduras longitudinais ( Figura 3 ).
Figura 3. Rachaduras longitudinais na Rodovia
Apasco Irapuato (Rico y Del Castillo, 1995)
2.3 Aumento da tensão efetiva
As poro-pressões negativas ocorrem na zona capilar,
por tanto, aumentam as tensões efetivas, melhorando
as condições de estabilidade.
Não obstante, as contribuições em termos de
resistência ao cisalhamento das pressões negativas
acima do nível freático não são consideradas,
assumindo que elas são iguais a zero.
As dificuldades associadas com a medição das poro-
pressões negativas e sua incorporação nos análises de
estabilidade, são as principais razões para esta
prática. É bastante razoável supor que as pressões
negativas são zero em situações nas que a maior parte
da superfície de deslizamento esta sob o nível
freático.
No entanto, há casos nos quais é importante ter em
consideração as poro-pressões negativas, como
quando o nível de água é mais profundo e não há a
certeza da localização da superfície de deslizamento
(Figura.4).
Além disso, as poro-pressões negativas devem ser
consideradas em estudos de “back analysis” quando
se deseja analisar menanismos falha em encostas de
solos secos ou parcialmente saturados.
Figura 4. Talude com nível freático profundo
(Fredlund e Rahardjo, 1993).
2.4 Elevações do nível freático sob lagoas
de retenção de resíduos (Mounding)
Materiais residuais de operações mineiras e
industriais são armazenados como líquidos em diques
de baixo nível. Os locais ideais para estas estruturas
são aqueles que têm solos onde o nível freático é
profundo. Não obstante, os solos acima do nível
freático têm poro-pressões negativas e podem estar
parcialmente saturados ( figura 5).
Muitas vezes tem sido assumido que, enquanto as
poro-pressões, mantenham-se negativas, há pouco ou
nenhum movimento de fluidos para baixo a partir da
lagoa de retenção. No entanto, nos últimos anos, tem-
se observado que podem ocorrer elevaçoes do nível
freático embaixo da lagõa, mesmo que os solos
intermédios estejam não saturados. Por tanto, grandes
quantidades de residuos de contaminantes das aguas
podem percolar ao longo dos solos, embora as
pressões de poros negativas sejam mantidas.
Figura 5. Exemplo de elevações do nível freático
pela percolação ao longo de um solo não saturado.
3 Conclusões
 Os exemplos mostrados acima mostram que
há muitas situações práticas que envolvem
solos não saturados que precisam de um
conhecimento das condições de percolação,
câmbios de volume e características de
resistência ao cisalhamento.
 Os câmbios da resistência ao cisalhamento
nos solos geralmente traduzem mudanças
nos fatores de segurança.
 Em casos de taludes, as poro-pressões
negativas produzem sucção, aumentando as
tensões efetivas.
 Os tipos de problemas nos quais as poro-
pressões negativas têm ganhado maior
atenção são aqueles que têm relação com
argilas expansivas.
Referências Bibliográficas
[1] Shames, Irving H. Mecánica de Fluidos. ( Mc
Graw Hill, 1995), pp 24.
[2] Lambe William. Soil Mechanics (Jhon Wiley
and Sons, 1969), pp 245, 246.
[3] Fredlund D.G, Rahardjo H. Soil Mechanics for
Unsaturated Soils (Jhon Wiley and Sons, 1993),
pp 3, 6.
[4] Charles WW, Menzies B. Advanced Soil
Mechanics and Engineering (Taylor and
Francis, 2007), pp 207).
[5] Kovacs W.D, Holtz R. An introduction to
geotechnical engineering (Prentice Hall, 1981),
pp 168, 169.

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Capilaridade nos solos

  • 1. PERCOLAÇÃO E ADENSAMENTO NOS SOLOS 1° PERIODO DE 2014 Capilaridade nos solos e suas implicações na Engenharia Civil Cristian Yair Soriano Camelo Universidade Federal do Rio de Janeiro Departamento de Engenharia Civil cysorianoc@unal.edu.co Abstract: This document presents a brief description of the mechanism of capillarity as physical phenomenon of fluids, taken from a literature review with particular interest in the water, the object of analysis in this course. Problems and implications that can occur in civil engineering projects in terms of the consideration of negative pore pressures are then posed. Finally a mitigation measure of capillarity and the respective findings of this literature review are presented Keywords: Capillarity, Pore pressures, Civil Engineering. 1 Capilaridade nos solos Capilaridade é um exemplo do mecanismo de tensão superficial nos líquidos. Basicamente o processo de capilaridade é resumido pelo fato de que a água pode ser elevada e mantida a certa altura da linha de pressão atmosférica num tubo capilar de pequeno diâmetro. 1.1 Mecanismo da capilaridade A capilaridade é uma combinação de forças de adesão e coesão. Há substancias sólidas que têm uma superfície eletronegativa e atraem o oxigeno na parte eletropositiva das moléculas de água. Os efeitos da adesão (atração das moléculas de agua, neste caso por uma superfície sólida) são maiores do que a atração entre as moléculas de água (coesão). Por isso, é possível que a agua possa ascender ao longo da superfície sólida do tubo capilar; na interfase água, ar e superfície sólida, forma-se um angulo menor que 90° ( Figura 1) . Figura 1. Efeitos capilares da coesão e adesão ( Shames, 1995). Olhando de uma forma mais cuidadosa, há uma série de forças que actuam sobre a coluna de água capilar, conforme mostrado na Figura 2. Figura 2. Forças atuantes numa coluna de agua capilar ( Kovacs, 1981). Onde, W = peso da coluna de água T = Tensão superficial Patm = Pressão atmosférica a = angulo do menisco na interfase água, superfície sólida e ar Na figura 2 é apresentada a distribuição das pressões na coluna de agua capilar, acima do nível de pressão atmosférica, as pressões são negativas, embaixo deste nível as pressões são hidrostáticas positivas. Em consequência, as pressões de poros em qualquer elevação da coluna de água são o produto da altura medida desde o nível de agua sob pressão atmosférica ( nível freático em solos ) e seu peso específico. No caso dos solos, a capilaridade produz uma elevação da agua acima do nível freático. A altura que pode ser atingida é inversamente proporcional ao
  • 2. 2 tamanho das aberturas dos sólidos na interface ar- água. No Quadro 1, apresentam-se resultados de ensaios de capilaridade e as faixas de alturas que podem ser atingidas por diferentes solos não coesivos. Quadro 1. Ensaios de capilaridade (Lane e Washburn, 1946). 2. Implicações na Engenharia Civil da capilaridade nos solos Em solos expansivos e colapsíveis, que estão acima do nível freático, ocorrem pressões de poros negativas e se o balanço de entrada e saída da água permanece constante, os problemas de expansão e colapso não estão presentes. No entanto, se existirem alterações no conteúdo de umidade no solo, serão produzidas mudanças nas pressões de poros, aumentos do volume nos solos expansivos e diminuição do volume nos solos colapsíveis. 2.1 Problemas de compactação Alguns solos como siltes não plásticos, areias muito finas, quando se compactam em áreas onde o nível freático é alto, atraem agua capilar à superfície e tornam-se friáveis com a perda quase total de sua resistência. 2.2 Rachaduras em aterros Em locais com forte ação climática (longas temporadas de chuvas seguidas de temporadas secas), é possível imaginar que no final da estação, os materiais do aterro tenham um alto conteudo de agua pela ação combinada dos efeitos naturais e a capilaridade, de modo que quando começar a estação seca seja produzida uma forte evaporação do solo exposto, que ocorrera principalmente nos taludes de corte do aterro gerando contrações volumétricas e rachaduras longitudinais ( Figura 3 ). Figura 3. Rachaduras longitudinais na Rodovia Apasco Irapuato (Rico y Del Castillo, 1995) 2.3 Aumento da tensão efetiva As poro-pressões negativas ocorrem na zona capilar, por tanto, aumentam as tensões efetivas, melhorando as condições de estabilidade. Não obstante, as contribuições em termos de resistência ao cisalhamento das pressões negativas acima do nível freático não são consideradas, assumindo que elas são iguais a zero. As dificuldades associadas com a medição das poro- pressões negativas e sua incorporação nos análises de estabilidade, são as principais razões para esta prática. É bastante razoável supor que as pressões negativas são zero em situações nas que a maior parte da superfície de deslizamento esta sob o nível freático. No entanto, há casos nos quais é importante ter em consideração as poro-pressões negativas, como quando o nível de água é mais profundo e não há a certeza da localização da superfície de deslizamento (Figura.4). Além disso, as poro-pressões negativas devem ser consideradas em estudos de “back analysis” quando se deseja analisar menanismos falha em encostas de solos secos ou parcialmente saturados.
  • 3. Figura 4. Talude com nível freático profundo (Fredlund e Rahardjo, 1993). 2.4 Elevações do nível freático sob lagoas de retenção de resíduos (Mounding) Materiais residuais de operações mineiras e industriais são armazenados como líquidos em diques de baixo nível. Os locais ideais para estas estruturas são aqueles que têm solos onde o nível freático é profundo. Não obstante, os solos acima do nível freático têm poro-pressões negativas e podem estar parcialmente saturados ( figura 5). Muitas vezes tem sido assumido que, enquanto as poro-pressões, mantenham-se negativas, há pouco ou nenhum movimento de fluidos para baixo a partir da lagoa de retenção. No entanto, nos últimos anos, tem- se observado que podem ocorrer elevaçoes do nível freático embaixo da lagõa, mesmo que os solos intermédios estejam não saturados. Por tanto, grandes quantidades de residuos de contaminantes das aguas podem percolar ao longo dos solos, embora as pressões de poros negativas sejam mantidas. Figura 5. Exemplo de elevações do nível freático pela percolação ao longo de um solo não saturado. 3 Conclusões  Os exemplos mostrados acima mostram que há muitas situações práticas que envolvem solos não saturados que precisam de um conhecimento das condições de percolação, câmbios de volume e características de resistência ao cisalhamento.  Os câmbios da resistência ao cisalhamento nos solos geralmente traduzem mudanças nos fatores de segurança.  Em casos de taludes, as poro-pressões negativas produzem sucção, aumentando as tensões efetivas.  Os tipos de problemas nos quais as poro- pressões negativas têm ganhado maior atenção são aqueles que têm relação com argilas expansivas. Referências Bibliográficas [1] Shames, Irving H. Mecánica de Fluidos. ( Mc Graw Hill, 1995), pp 24. [2] Lambe William. Soil Mechanics (Jhon Wiley and Sons, 1969), pp 245, 246. [3] Fredlund D.G, Rahardjo H. Soil Mechanics for Unsaturated Soils (Jhon Wiley and Sons, 1993), pp 3, 6. [4] Charles WW, Menzies B. Advanced Soil Mechanics and Engineering (Taylor and Francis, 2007), pp 207). [5] Kovacs W.D, Holtz R. An introduction to geotechnical engineering (Prentice Hall, 1981), pp 168, 169.