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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


Aula 16 – MOVIMENTO DE ÁGUA NOS SOLOS
Profª Ana Elza Dalla Roza

2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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Tensão superficial

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Tensão superficial

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Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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13

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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14

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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15

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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33

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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38

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


Slide 3

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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13

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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14

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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Tensão superficial

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

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Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

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Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

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Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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14

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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15

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
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CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

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Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

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Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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37

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


Slide 7

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

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Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

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Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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15

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Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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37

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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38

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

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Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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Tensão superficial

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

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Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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33

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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37

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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38

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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40

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


Slide 10

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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13

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
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DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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Tensão superficial

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Tensão superficial

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

Aula 16 – MOVIMENTO DE ÁGUA NOS SOLOS
Profª Ana Elza Dalla Roza

42

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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Tensão superficial

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Tensão superficial

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Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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14

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

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9

3

8

4
7

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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13

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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14

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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15

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


Slide 15

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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13

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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14

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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15

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

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Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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Profª Ana Elza Dalla Roza

12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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13

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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14

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

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Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

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Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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15

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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33

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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37

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


Slide 18

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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33

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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36

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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37

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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38

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
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CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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13

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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33

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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37

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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38

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

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SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

Aula 16 – MOVIMENTO DE ÁGUA NOS SOLOS
Profª Ana Elza Dalla Roza

27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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33

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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37

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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38

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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40

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

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SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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13

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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14

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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33

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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38

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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40

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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Tensão superficial

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Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


Aula 16 – MOVIMENTO DE ÁGUA NOS SOLOS
Profª Ana Elza Dalla Roza

2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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Tensão superficial

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Tensão superficial

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Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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13

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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14

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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15

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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33

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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38

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


Slide 26

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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13

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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14

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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15

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
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CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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13

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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14

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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15

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

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Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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14

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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15

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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37

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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38

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

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SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
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CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

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Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

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Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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33

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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36

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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37

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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38

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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40

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


Slide 30

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

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Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

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Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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33

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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37

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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38

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


Slide 31

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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13

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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33

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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38

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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13

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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33

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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36

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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37

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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38

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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40

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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13

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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14

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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15

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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38

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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40

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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Tensão superficial

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Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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Tensão superficial

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Tensão superficial

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Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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13

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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14

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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15

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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33

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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38

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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40

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


Slide 37

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

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1

10

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9

3

8

4
7

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


Slide 38

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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13

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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14

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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15

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

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Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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Profª Ana Elza Dalla Roza

12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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13

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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14

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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15

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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33

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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38

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


Slide 40

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

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Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

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Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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14

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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15

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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33

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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36

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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37

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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38

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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40

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


Slide 41

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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20

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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33

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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36

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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37

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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38

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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13

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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21

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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22

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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23

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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24

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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25

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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27

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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28

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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29

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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31

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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32

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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33

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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34

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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35

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

A barragem de Teton

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37

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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38

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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39

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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40

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Tensão superficial

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41

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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42

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL


Slide 43

ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO
 Determinação do coeficiente de permeabilidade

 Forças de percolação

 Filtros de proteção

 Capilaridade


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2

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
Fase de Saturação

Determinação da
Permeabilidade
h

z

L

Neste ensaio o nível de água, tanto na
entrada quanto na saída permanecem
constantes durante todo o ensaio.
Desta forma, a diferença de carga
hidráulica h é constante, e o volume de
água que percola através do corpo-deprova num tempo t é medido, o que
permite a determinação do coeficiente
de permeabilidade do solo.
11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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3

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA CONSTANTE
O permeâmetro de carga constante é utilizado para medir a permeabilidade
dos solos granulares (solos com razoável quantidade de areia e/ou
pedregulho), os quais apresentam valores de permeabilidade elevados.
VL
V
Dh
k
i
A

q
k

k
A
Lei de Darcy
i

Dh
L

Dh

q

V
t

z

L

L

t

Dh t

V - quantidade de água medida na
proveta (cm3);
L - comprimento da amostra medido no
sentido do fluxo (cm);
A - área da seção transversal da
amostra (cm2);
Dh - diferença do nível de água entre a
entrada e a saída (cm);
t - tempo medido entre o inicio e o fim
do ensaio (s);

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4

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a - área interna da bureta (cm2)
A - seção transversal do corpo-de-prova (cm2)
L - altura do corpo-de-prova (cm)

h1

h0

h0 - carga hidráulica inicial (cm), no tempo t0

h1 - carga hidráulica final (cm), no tempo t1
Dt - intervalo de tempo (t1 - t0) para o nível
d`água passar de h0 para h1 (cm)

z

L

Solo

11

12

1

10

2

9

3

8

4
7

6

5

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5

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Quando o coeficiente de permeabilidade é muito baixo, a determinação com o
permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o permeâmetro
de carga variável.
a
dh
O coeficiente de permeabilidade do solo é
então calculado fazendo-se uso da lei da
Darcy:
h
h0
qk A
h1
L
z

L

Solo

Levando-se em conta que o volume de água
passando pelo solo é igual ao volume de
água saindo da bureta, a vazão pode ser
expressa como:

q

 adh
dt

área da bureta

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6

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta da permeabilidade
PERMEÂMETRO DE CARGA VARIÁVEL
Igualando-se as duas expressões de vazão tem-se:
a

dh
dt

k

h

A

L

Para o caso em que o ensaio é realizado do tempo t0 ao tempo t1 a diferença
de carga hidráulica varia de h0 à h1, logo:
h1

dh

0

h

 a h



kA
L

t1

t

dt

0

Resolvendo, tem-se
a ln

h0
h1



kA
L

Dt

Explicitando-se o valor de k:
k 

aL
ADt

ln

h0
h1

ou

k  2,3

aL
ADt

log

h0
h1

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7

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Fatores que controlam a permeabilidade
Peso específico e viscosidade
Estas duas propriedades do fluido exercem uma influência na
permeabilidade sobretudo a viscosidade e para esse caso, o coeficiente
de permeabilidade é corrigido devido a variação da temperatura com se
segue:
mT
k 20 
.kT
m 20
onde:
k20 –permeabilidade a 20°C;
kT – coeficiente de permeabilidade a temperatura T;
m – viscosidade da água.

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8

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO
Ensaios em Campo

9

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9

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSASIOS in situ
• Os ensaios de campo podem ser realizados em furos de sondagens, em
poços ou em cavas, sendo mais utilizados em sondagens. E podem ser
feitos pelo ensaio de infiltração e o de bombeamento.
• Um exemplo é se, no decorrer de uma sondagem SPT, a perfuração for
interrompida e se encher o tubo de revestimento com água, medindo a
vazão necessária para manter o nível d’água constante. Assim, pode-se
calcular o coeficiente de permeabilidade para o solo.
• Em virtude dos parâmetros envolvidos (altura livre de perfuração, posição
do nível d’água, espessura das camadas, etc), os ensaios de campo são
menos precisos do que os de laboratório. Entretanto, eles se realizam no
solo em sua situação real. Os ensaios de laboratório são precisos em
relação à amostra ensaiada, mas muitas vezes realizados com amostras
não representativas do solo.

10

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”

Os ensaios no campo seguem o mesmo princípio que aquele de
laboratório, porém eles também podem ser realizados com
descarga.
Procedimento

Pressão
Aplicada

Denominação

Método de
Prospecção

Carga

Infiltração

Sondagens,
poços e cavas

Bombeamento

Poços e
sondagens

Rebaixamento

Poços e
sondagens

Recuperação

Poços e
sondagens

Nível Constante

Descarga

Carga
Nível Variável
Descarga

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta
• ENSAIOS in situ
• Bombeamento diretamente das Fundações
– Por este processo, o esgotamento se faz bombeando, para fora da
zona de trabalho, a água conduzida por meio de valetas e acumulada
dentro de um poço executado abaixo da escavação.
• Possíveis inconvenientes
– O carreamento das partículas mais finas do solo pela água, pode
provocar recalque das fundações vizinhas;
– No caso de bombeamento em terreno permeável, à medida que a
água vai sendo bombeada, o nível interno da escavação baixa mais
rápido que o nível externo, originando diferença de pressão de fora
para dentro, com consequente desmoronamento;
– Se a pressão da água de fora para dentro for maior que o peso próprio
do solo acontece o fenômeno da areia movediça.
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12

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Por meio deste ensaio determina-se, no campo, a permeabilidade de
camadas de areia ou pedregulho, situados abaixo do nível da água.
O princípio do método consiste em esgotar-se a água até o
estabelecimento de um escoamento uniforme, medir a descarga do poço e
observar a variação do nível d’água em piezômetros colocados nas
proximidades.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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13

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
O poço para bombeamento deve penetrar em toda a profundidade da
camada ensaiada e com diâmetro suficiente para permitir a inserção de
uma bomba com tipo e capacidade necessária ao bombeamento.
Nas proximidades e situados radialmente são instalados poços de
observação do nível d’água ou piezômetros. Recomenda-se a instalação de
4 poços de observação, e um mínimo de dois, e levados até profundidades
abaixo do nível mais baixo que a água deve atingir durante o ensaio.
Poço filtrante

Poços testemunhas

NA

dy
y1

dx

y2

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Determinação direta

ENSAIOS IN “SITU”
Uma vez que o nível d’água no poço tenha se tornado estável determina-se
a vazão de equilíbrio e efetua-se as medidas das alturas de água em cada
um dos piezômetros instalados
O coeficiente de permeabilidade é estimado pela fórmula abaixo:

Poço filtrante

ln
Poços testemunhas

k Q

NA

dy
y1

dx

y2

x2
x1

2

2

(y 2  y1 )

Curva de
rebaixamento

CAMADA IMPERMEÁVEL

x1

x2

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão
• Piezômetro de Casagrande (Tempo de resposta grande)

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16

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Medidas de Poro-pressão

• Piezômetro de Bishop (tempo de resposta pequeno)

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17

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

MOVIMENTO DE ÁGUA NO
SOLO

Forças de Percolação

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18

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
Havendo um movimento de água através do solo, ocorre uma
transferência de energia da água para as partículas sólidas, por
causa do atrito viscoso
A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada de força de percolação
Esse fenômeno é responsável por vários problemas de
engenharia (em cortes, aterros, barragens), além do surgimento
de “piping” e areia movediça

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19

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Forças de Percolação
FP  P1  P2   w h1 A   w h2 A
NA
Havendo
um movimento de água através do solo,
ocorre uma transferência
de energia da água para as partículas sólidas do solo, por causa do atrito
viscoso. A energia transferida é medida pela perda de carga e a força
correspondente a essa energia é chamada
Dh de força de percolação. Esse
fenômeno éP1responsável
de engenharia (cortes,
  w h1 A por vários problemas
Sendo o gradiente hidráulico
aterros, barragens), além do surgimento de “piping” e areia movediça.
NA
dado por:
P2   w h2 A
h
1

i

L

h1  h2
L



Dh
L

h2
 FP   w .i.A.L   w .i.V

P1

Areia

A

FP P2

A força de percolação por unidade de volume (V), igual a A.L será:
FP 

 w .i.A.L
A.L

ou

FP  i. w

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça

• As tensões efetivas são as que realmente controlam todas as
características de deformação e resistência dos solos.
• A areia movediça pode ocorrer sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
tensões efetivas.

NA
h
h1
L

Areia
A

sat

Ponto A
Tensão total
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u =  w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
Se a altura de carga (h) for aumentada até u = σA, obviamente σ’ = 0
partir daíefetivas
o solo terá
de líquido,
não oferecendo
suporte. O valor
AsA tensões
são propriedade
as que realmente
controlam
todas as características
denesse
deformação
e resistência
dos solos.de hc (altura crítica)
instante da
carga h é denominado
σ’AA=areia
σA - u movediça pode ocorrer
σ A = u sempre que a areia esteja submetida a um
fluxo ascendente de água, pois as tensões efetivas se anulam. É uma
condição que a resistência ao cisalhamento é nula devido à ausência de
γwtensões
.h1+ γsat.Lefetivas.
= γw(hc+h1+L)


hc
L

NA
h
h1
L

Areia
A

 ic 

(  sat   w )
w



 sub
w

Gradiente Hidráulico Crítico
Ponto A
Tensão total
sat
sA = w.h1+sat.L
Poro-pressão
u = w(h + h1+L)

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
A areia movediça não é um tipo de areia, e sim um estado do solo em que
as forças de percolação tornam as tensões efetivas nulas. Logicamente,
só ocorre o estado de areia movediça quando o gradiente atua de baixo
para cima. No sentido contrário, quanto maior for o gradiente, maior a
tensão efetiva.
Não existem argilas movediças, pois as argilas apresentam consistência
mesmo quando a tensão efetiva é nula. Teoricamente poderiam existir
areias grossas e pedregulhos movediços, mas as vazões correspondentes
ao gradiente crítico seriam tão elevadas que não seria fácil encontrar uma
situação que provocasse esse estado. Areia movediça é uma situação
típica de areias finas.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Areia movediça
O fenômeno da areia movediça pode ser evitado pela constituição de algum
elemento que proporcione um aumento das tensões efetivas. Tais elementos
são filtros que drenam a água que percola através de um solo (originando
forças de percolação.
Os filtros são camadas de materiais granulares (areia e pedregulho) e devem
satisfazer duas condições:
• os vazios do material de proteção devem ser suficientemente pequenos, de
forma que impeça a passagem das partículas do solo a ser protegido e
• devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre
passagem da água.

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|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Piping
• Piping é a erosão interna do solo, que consiste no
arrastamento progressivo das partículas do solo e
ocorre nas zonas de saída das linhas de corrente.
Nestas zonas, as forças de percolação são elevadas e
podem produzir a erosão interna
• Para aumentar o fator de segurança ao piping, podese aumentar a cortina impermeável e
conseqüentemente aumentar a rede de percolação.

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ESTADO DE MATO GROSSO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

|Métodos diretos| Forças de percolação | Filtros de proteção | Capilaridade |

Critérios de Filtro
•

1 - O tamanho dos vazios de um filtro deve ser pequeno o suficiente para reter
as partículas do solo as ser protegido.

•

2 - O material que constitui o filtro deve ter alta permeabilidade para evitar a
geração de forças de percolação e pressão hidrostática nos filtros.

•

Baseados em estudos experimentais de filtros de proteção, Terzaghi (1922),
Bertram (1940), Kenney et al (1985) e Sherard et al. (1984) propõem os seguintes
critérios:

D 15 F 
D 85  S 

D 15 F 
D 15  S 

 4a5

1º Critério

 4a5

2º Critério

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Critérios de Filtro
•
•

O U.S. Navy (1971) requer as seguintes condições:
1º critério:

D 15 F 
D 85  S 

•
•

 5

D 50 F 
D 50  S 

 25

D 15 F 
D 15  S 

 20

Caso o coeficiente de uniformidade do solo a ser protegido seja menor que 1,5:
2º critério:

D 15 F 
D 85  S 

 6

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Critérios de Filtro
• Para se evitar a segregação das partículas no
filtro o material deste não pode ter partículas
maiores que 3”(76,2 mm).
• O teor de finos (f < #200) no filtro não pode
ser superior a 5%.

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Filtros
• Objetivo:
– Diminuir a possibilidade de erosão interna

• Condições:
– a) Os finos não devem migrar para o filtro
filtro

a ) D15

 5 D85

solo

– b) A capacidade de drenagem deve ser elevada
filtro

b ) D15

 5 D15

solo

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Filtros
• Adicionalmente exige-se
– Material do filtro não deve conter partículas com diâmetro
superior a 75 mm
– Não deve ter mais de 5% de finos
– Etc.

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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A barragem de Teton

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MOVIMENTO DE ÁGUA NO SOLO

Capilaridade

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Capilaridade
Em Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos.

Esta capacidade de subir ou descer resulta da capacidade de o líquido molhar ou
não a superfície do tubo.
No caso da água no solo, capilaridade é a propriedade que o líquido apresenta de
atingir, em tubos de pequenos diâmetros, pontos acima do nível freático.
O nível freático é a uma superfície em que atua a pressão atmosférica e tomada
como origem referencial para as poro-pressões.
Os fenômenos de capilaridade estão associados diretamente à tensão superficial,
atuante em toda a superfície de um líquido, como decorrência da energia superficial
livre.
A energia superficial livre é definida como o trabalho necessário para aumentar a
superfície livre de um líquido em 1 cm2 .
As forças químicas de adesão fazem com que a superfície livre da água ou outro
líquido, quando em contato com um corpo sólido, forme uma curvatura que depende
do tipo de material e de seu grau de limpeza.

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Tensão superficial

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Tensão superficial

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Capilaridade
No caso dos solos, os seus vazios são tão pequenos e pode-se imaginá-los
interligados, formando canalículos que funcionam como tubos capilares. Assim podese explicar, dentro da massa de solo, a ocorrência de zonas saturadas de solo, que
estão situadas acima do NA.
A água em contato com o solo também tenderá a formar meniscos. No ponto de
contato dos meniscos com os grãos agirão pressões de contato, tendendo a
comprimir 1 grão. Essas pressões de contato (u<0) somam-se às tensões totais.

Isto faz com que a tensão efetiva atuante seja maior que a total, isto acarreta um
acréscimo de resistência conhecido como coesão aparente, responsável pela
estabilidade de taludes em areias úmidas e construção em castelos de areia
Com relação às argilas, quando submetidas à secagem, o raio de curvatura é
diminuído ocasionando um aumento das pressões de contato e tendem aproximar as
partículas, o que provoca contração do solo.

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