Uma análise importante nos estudos geotécnicos é a análise de fluxo nas estruturas, na qual são obtidas as vazões esperadas nos dispositivos de drenagem e a condição da freática na estrutura, bem como suas variações sazonais. Portanto, é fundamental o estudo do fluxo de água em problemas geotécnicos envolvendo estabilidade de taludes, barragens e outras estruturas geotécnicas.

Os principais problemas de estabilidade estão relacionados ao desenvolvimento de poropressões não previstas no projeto da estrutura. O aumento da poropressão reduz a tensão efetiva no solo, e, com isso, piora a condição de estabilidade da estrutura geotécnica.

Assim, o estudo do fluxo de água ou de outro tipo de fluido na estrutura constitui um tópico de fundamental importância durante o projeto e verificações envolvendo estruturas geotécnicas. Por isso, neste artigo vamos discorrer brevemente sobre a permeabilidade e o fluxo de fluidos em estruturas geotécnicas, considerando os solos saturados e os não-saturados.

Fluxo em solos saturados

A permeabilidade é a propriedade que o solo apresenta de permitir o escoamento da água através dele, sendo o seu grau de permeabilidade expresso numericamente pelo coeficiente de permeabilidade. Para solos saturados, a determinação do coeficiente de permeabilidade é feita com base na lei de Darcy, de acordo com a qual a velocidade de percolação é diretamente proporcional ao gradiente hidráulico.

Em que:

Q = vazão do fluido nos poros;

k = permeabilidade do solo;

h = carga hidráulica que se dissipa;

L = distância que a carga se dissipa;

i = gradiente hidráulico; e

A = área transversal ao fluxo.

O coeficiente de permeabilidade depende principalmente do tamanho médio dos poros, que se relaciona com a distribuição granulométrica do solo, a forma de suas partículas e sua estrutura.

Em geral, o coeficiente de permeabilidade é menor em solos compostos por partículas menores. A presença de uma pequena porcentagem de finos em um solo majoritariamente arenoso diminui significativamente seu coeficiente de permeabilidade se comparado ao mesmo solo sem os finos presentes. Para um solo, o coeficiente de permeabilidade ainda é função de seu índice de vazios já que, com sua diminuição, a permeabilidade também diminui.

Os valores típicos para a ordem de grandeza de permeabilidades em solos sedimentares estão apresentados na Figura 1.

Figura 1 – valores típicos de permeabilidade

Fonte: PINTO (2006)

Solos residuais apresentam estrutura com macroporos, pelos quais a água percola com maior facilidade. Nesses solos, ainda que as partículas sejam pequenas, os vazios entre as aglomerações das partículas são grandes e é por eles que a água flui.

Para pedregulhos, e mesmo para algumas areias grossas, a velocidade de fluxo pode se tornar muito elevada a depender do gradiente hidráulico aplicado. Com isso, o fluxo pode se tornar turbulento e, assim, a lei de Darcy já não é válida. Isso ocorre comumente no dimensionamento do sistema de drenagem interno de barragens.

Fluxo em solos não saturados  

O solo não saturado é considerado como um sistema trifásico, ou seja, é constituído de três fases: líquida (água), gasosa (ar) e sólida (partículas de minerais). A fase sólida é constituída por partículas minerais e matéria orgânica, variando de forma e tamanho; a fase líquida é composta por água; e a fase gasosa é constituída pelo ar livre e está presente no espaço poroso não ocupado pela água.

A curva característica de um solo representa a variação da sucção com respeito à umidade ou grau de saturação. A Figura 2 a seguir apresenta uma curva característica típica.

Figura 2 – Curva característica típica de um solo.

 Fonte: FREDLUNG; XING (1994) apud VILLAR (2002)

Alguns valores merecem destaque como:

• Teor de umidade volumétrica saturada qs;
• Teor de umidade volumétrica residual, qr, que é valor do teor de umidade volumétrica além do qual um aumento adicional na carga de pressão resultará somente em mudanças pequenas no teor de umidade volumétrica;
• Valor de pressão de entrada de ar, que é o valor da carga de pressão no qual ocorre a entrada de ar nos poros do solo em um processo de secagem.

Com a curva característica do solo é possível relacionar sua permeabilidade com a umidade, existem diversos modelos para modelagem da curva de retenção, como Gardner (1958), Brooks e Corey (1964), van Genuchten (1980) e Fredlund e Xing (1994).

 

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