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Determinação do Coeficiente de Permeabilidade do Solo: Ensaios e Procedimentos, Slides de Hidráulica

Este documento explica o objetivo, definição, métodos e procedimentos para determinar o coeficiente de permeabilidade de solos granulares e argilosos em laboratório. O texto aborda a importância da lei de darcy, as diferenças entre ensaios de carga constante e variável, e as referências e equipamentos necessários. Além disso, o documento detalha o procedimento de preparação do corpo de prova, os ensaios a carga constante e variável, e os cálculos e resultados obtidos.

O que você vai aprender

  • Como se diferenciam os ensaios de carga constante e variável para determinar o coeficiente de permeabilidade do solo?
  • Qual é a importância da determinação do coeficiente de permeabilidade do solo?

Tipologia: Slides

2022

Compartilhado em 07/11/2022

Neymar
Neymar 🇧🇷

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DETERMINAÇÃO DA PERMEABILIDADE DO SOLO
1. Objetivo
Determinar o coeficiente de permeabilidade à carga constante e à carga variável, com
percolação de água através do solo em regime de escoamento laminar. Na aplicação destes métodos
podem ser utilizados corpos-de-prova talhados ou moldados, obtidos a partir de amostras
indeformadas ou da compactação de amostras deformadas.
2. Definição
O coeficiente de permeabilidade é uma constante de proporcionalidade relacionada com a
facilidade pela qual o fluxo passa através de um meio poroso. Os métodos utilizados pela sua
determinação em laboratório se baseiam na lei de Darcy, expressa por:
v = k . i
ou
q = k . i . A
Onde:
v = Velocidade de fluxo (cm/s);
q = quantidade de fluído por unidade de tempo (cm/s);
k = Coeficiente de permeabilidade (unidade de velocidade);
i = Gradiente hidráulico = h / L;
O ensaio de carga constante é aplicado a solos granulares ou solos com alta permeabilidade.
Quando a permeabilidade é muito baixa, a determinação pelo permeâmetro de carga constante é
pouco precisa. Emprega-se, então, o de carga variável.
Para solos argilosos, é mais conveniente a determinação do coeficiente de permeabilidade
durante o ensaio de adensamento.
O ensaio em laboratório não fornece um valor exato para o coeficiente de permeabilidade (k)
do solo por várias razões, tais como:
O solo no permeâmetro nunca possui a mesma posição que se encotra no campo. Ela é sempre
deturpada.
A orientação da estratificação “in situ” para o fluxo d’água provavelmente não é reproduzida.
Para areias, o que geralmente ocorre, é uma relação entre o fluxo horizontal e o vertical de 3 a 4
ou mais (kh / kv = 3 ou mais).
As condições de contorno do solo em campo não são as mesmas em laboratório. As paredes lisas
do molde facilitam os caminhos de fluxo. Se o solo for verticalmente estratificado o fluxo se
modificará em diferentes níveis, sendo está situação de reprodução impossível em laboratório.
A carga hidráulica h é sempre maior em laboratório, o que causa carreamento de material fino
nos contornos da amostra, com possível redução do valor de k. No campo o gradiente hidráulico
é da ordem de 0,5 a 1,5 enquanto que em laboratório chega a 5 ou mais.
O efeito do ar “entrapped” na amostra de laboratório será maior, mesmo para pequenas bolhas de
ar de uma pequena amostra.
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DETERMINAÇÃO DA PERMEABILIDADE DO SOLO

1. Objetivo

Determinar o coeficiente de permeabilidade à carga constante e à carga variável, com percolação de água através do solo em regime de escoamento laminar. Na aplicação destes métodos podem ser utilizados corpos-de-prova talhados ou moldados, obtidos a partir de amostras indeformadas ou da compactação de amostras deformadas.

2. Definição

O coeficiente de permeabilidade é uma constante de proporcionalidade relacionada com a facilidade pela qual o fluxo passa através de um meio poroso. Os métodos utilizados pela sua determinação em laboratório se baseiam na lei de Darcy, expressa por:

v = k. i

ou

q = k. i. A

Onde: v = Velocidade de fluxo (cm/s); q = quantidade de fluído por unidade de tempo (cm/s); k = Coeficiente de permeabilidade (unidade de velocidade); i = Gradiente hidráulico = h / L;

O ensaio de carga constante é aplicado a solos granulares ou solos com alta permeabilidade. Quando a permeabilidade é muito baixa, a determinação pelo permeâmetro de carga constante é pouco precisa. Emprega-se, então, o de carga variável. Para solos argilosos, é mais conveniente a determinação do coeficiente de permeabilidade durante o ensaio de adensamento. O ensaio em laboratório não fornece um valor exato para o coeficiente de permeabilidade (k) do solo por várias razões, tais como:  O solo no permeâmetro nunca possui a mesma posição que se encotra no campo. Ela é sempre deturpada.  A orientação da estratificação “in situ” para o fluxo d’água provavelmente não é reproduzida. Para areias, o que geralmente ocorre, é uma relação entre o fluxo horizontal e o vertical de 3 a 4 ou mais (kh / kv = 3 ou mais).  As condições de contorno do solo em campo não são as mesmas em laboratório. As paredes lisas do molde facilitam os caminhos de fluxo. Se o solo for verticalmente estratificado o fluxo se modificará em diferentes níveis, sendo está situação de reprodução impossível em laboratório.  A carga hidráulica h é sempre maior em laboratório, o que causa carreamento de material fino nos contornos da amostra, com possível redução do valor de k. No campo o gradiente hidráulico é da ordem de 0,5 a 1,5 enquanto que em laboratório chega a 5 ou mais.  O efeito do ar “entrapped” na amostra de laboratório será maior, mesmo para pequenas bolhas de ar de uma pequena amostra.

 Muitos também são fatores dos quais é dependente o coeficiente de permeabilidade de uma massa de solo homogênea e isotrópica:  Viscosidade do fluido (geralmente água). Quando a temperatura aumenta a viscosidade diminui e o k aumenta, ou seja, o fluxo aumenta.  Índices de vazios do solo (e). Várias tentativas foram feitas para relacionar o coeficiente de permeabilidade do solo com índices de vazios diferentes para o mesmo solo. Entretanto, as formulas encontradas devem ser utilizadas com bastante cuidado.

K = f(e)

 O Tamanho e a forma dos grãos do solo.  Grau de saturação do solo. Quanto maior a saturação, maior será k. O pedregulho tem um k elevado, e a argila um k bem baixo.

3. Referências

  • NBR 13292 – ABNT – “Solo – Determinação do coeficiente de permeabilidade de solos granulares à carga constante”.
  • NBR 14545 – ABNT – “Solo – Determinação do coeficiente de permeabilidade de solos argilosos à carga variável”.
  • NBR 6457 – ABNT – “Amostras de Solo – Preparação para Ensaios de Compactação e Ensaios de Caracterização”.

4. Equipamentos e acessórios

  • Permeâmetro;
  • Estufa capaz de manter a temperatura entre 105o^ e 110o^ C;
  • Balanças que permitam pesar de 1000 g e precisão de 0,01 g;
  • Torninho de talhagem;
  • Termômetro, com precisão de 0,1º C;
  • Água desaerada;
  • Cápsulas metálicas;
  • Paquímetro;
  • Régua de aço biselada;
  • Cronômetro;
  • Proveta graduada;
  • Tubos manométricos (com escala graduada para medição das cargas hidráulicas;
  • Parafina;
  • Betonita.

g) Após desmontagem do corpo de prova, retiram-se amostras do seu interior (em posições diferentes) para a determinação de pelo menos 3 teores de umidade.

5.3 – Ensaio a Carga Variável

Este ensaio deverá ser realizado de acordo com o esquema abaixo: a) Determina-se o diâmetro interno do tubo de carga. b) Permite-se que a água percole pelo corpo de prova durante algum tempo. Após saturação do corpo de prova, inicia-se o ensaio.

c) Realiza-se uma leitura inicial na escala do tubo manométrico (hi). d) Faz-se variar a carga hidráulica, e realiza-se a contagem de tempo com o auxílio do cronômetro, a partir da leitura inicial do tubo de carga. e) Quando o volume d’água (menisco) atingir um plano da marca inferior no tubo de

carga, para-se a contagem do tempo e realiza-se uma leitura final (hf). f) Repete-se do item 𝑐𝑐) até o item e), pelo menos 3 vezes. g) Após desmontagem do corpo de prova, retiram-se amostras do seu interior (em posições diferentes) para a determinação de pelo menos 3 teores de umidade.

6. Cálculos e Resultados

6.1 – Ensaio a Carga Constante

  • Calcula-se o diâmetro e a altura média do corpo de prova.
  • Calcula-se a área da secção e o volume do corpo de prova.
  • Com a massa do corpo de prova obtida anteriormente e o volume, calcula-se a massa específica do solo.
  • Calcula-se o teor de umidade do corpo de prova antes do ensaio.
  • Calcula-se a massa específica seca, índice de vazios e grau de saturação do corpo de prova.
  • O coeficiente de permeabilidade é calculado pela seguinte equação:

Onde: k = Coeficiente de pemeabilidade (cm/s); Q = Volume d’água observado na proveta no tempo t (cm³); h = Altura da carga hidráulica, constante durante o ensaio (cm); A = Área da secção do corpo de prova (cm²); L = Altura do corpo de prova (cm); t = Tempo decorrido para a água percolar no volume Q (s).

6.2 – Ensaio a Carga Variável

  • Calcula-se a área da secção e o volume do corpo de prova.
  • Calculam-se os índices físicos do corpo de prova antes do ensaio.
  • O coeficiente de permeabilidade é calculado pela seguinte equação:

Onde:

k = Coeficiente de permeabilidade (cm/s);

a = Área interna do tubo de carga (cm²);

hi = Altura da carga no instante inicial (cm);

hf = Altura da carga no instante final (cm);

L = Altura do corpo de prova (cm); A = Área da secção do corpo de prova (cm²); t = Tempo decorrido para a água percolar no corpo de prova, na variação da carga, (s).

Calculando o coeficiente de permeabilidade na temperatura em que é realizado o ensaio, o mesmo deve ser calculado a temperatura de 20º C, através da relação:

Onde:

k 20 = Coeficiente de permeabilidade a 20º C;

k T = Coeficiente de permeabilidade a temperatura T em que é realizado o ensaio;

η 20 = Viscosidade do fluido na temperatura de 20º C, que corresponde a 0,01005;

η T = Viscosidade do fluido na temperatura T.