A Mecânica dos Solos

Avaliação Autoinstrucional de Mecânica dos Solos

        

RESUMO: Este trabalho tem como objetivo a pesquisa sobre Redes de Fluxo, a qual apresenta grande relevância para a Engenharia Civil e Geotécnica, em especial. A rede de fluxo é a solução gráfica da equação de Laplace, composta de dois grupos de curvas perpendiculares entre si (linhas de fluxo e linhas equipotenciais), formando quadrados curvilíneos. Ela pode ser definida como o estudo de um fluxo bidimensional, representado graficamente pelos caminhos percorridos pela água e da correspondente dissipação da carga. O seu estudo permite: determinar facilmente a vazão de água percolada; calcular a pressão de água dos poros e logo, a tensão efetiva em cada ponto do maciço; permite avaliar o risco de ocorrência de acidentes resultantes de quick condition (anulação da resistência, passando o solo a comportar-se como líquido denso); e permitem adotar medidas de prevenção contra o piping (erosão interna) e o “levantamento hidráulico”. O trabalho será realizado por meio de uma pesquisa de conceitos importantes para a compreensão do funcionamento de uma Rede de Fluxo, e por fim será desenvolvida a análise e solução para um determinado problema.

PALAVRAS-CHAVE: Redes de Fluxo, Água, Engenharia, Solo, Laplace, Trabalho.

1        INTRODUÇÃO

Para o entendimento global de uma rede de fluxo, alguns conceitos devem ser analisados e estudados. Estes serão detalhados no decorrer do trabalho.

1. Conduvitividade Hidráulica

 

A condutividade hidráulica pode ser definida como o grau de capacidade de percolação de água no solo, ou seja, é a propriedade que o solo apresenta de permitir o escoamento da água através dele, sendo o seu grau de permeabilidade expresso numericamente pelo coeficiente de permeabilidade (K).

        A Determinação do coeficiente de permeabilidade é feita tendo em vista a lei experimental de Darcy, de acordo com a qual a velocidade de percolação é diretamente proporcional ao gradiente hidráulico.        

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Figura 1. Intervalos de variação de K para diferentes tipos de solo.        

1. Fases Constituintes dos Solos Não Saturados

 

Um solo não saturado é considerado uma mistura de várias fases que influenciam diretamente seu estado de tensão.

        Este tipo de solo é considerado um sistema trifástico, ou seja, ele contém três fases: líquida (água), gasosa (ar) e sólida (partículas de minerais). Além destas, deve-se considerar uma fase independente, a interface água-ar, sendo a quarta fase. Ela pode ser chamada de membrana contrátil, e tem como característica mais importante a possibilidade de exercer uma tensão de tração nos materiais contíguos.

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Figura 2. Elemento de solo não saturado com a fase gasosa contínua.

1. Tensão Superficial

A definição mais básica para “tensão superficial”, é o efeito físico que ocorre na interface entre duas fases químicas.

        Aprofundando, a tensão superficial é vista como uma característica da membrana contrátil, que exerce uma tensão de tração nos materiais contiguos. Devido à ação dessa tensão, a interface ar-água comporta-se como uma membrana elástica. Se a fase gasosa for contínua, tal membrana interage com as partículas sólidas, influenciando no comportamento mecânico do solo.

 

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Figura 3. Variáveis de estado de tensão para solos não saturados.

1. Tipos de Água no Solo

1. Água Livre ou Gravitacional

É aquela que não consegue mais ser retida pelos grãos sólidos e circula nos solos. Pode estar em equilíbro hidrostático ou fluir sob a ação da gravidade ou de outros gradientes de energia.

1. Água Capilar

É a água que se encontra presa às particulas do solos por meio de forças capilares. Esta se eleva pelos interstícios capilares formados pelas partículas sólidas, devido a ação das tensões superficiais nos contatos ar-água-sólidos, oriundas a partir da superfície livre da água. Esta água pode ser retirada pelas raízes das plantas, mas não movimentada pela gravidade.

1. Água de Constituição

É a água presente na própria composição química das partículas sólidas.

1. Vapor

O vapor existe nos poros que contem ar. Ele pode passar para fase líquida e vice-versa, conforme varie a temperatura.

1. Água higroscópica/adsorvida

É a quantidade máxima de água, em percentagem, que o solo é capaz de absorver da atmosfera, em forma de vapor, e mater em equilíbrio com o ambiente. Não se movem, nem por capilaridade e nem por gravidade, somente se movimentam sob a forma de vapor d’água.

        Esta água, forma uma camada muito fina e que fica tão aderida ao grão, que para sua retirada é necessário o aquecimento acima de 100 graus centígrados. O solo que possui apenas água higroscópica é um solo aparentemente seco.

        A água adsorvida adera às particulas dos solos finos devido a ação de forças elétricas desbalanceadas na superfície argilo-minerais. Está submentida a grande pressões, comportando-se como sólido na vizinhança da partícula de solo.

1. Fatores que influenciam no valor de “K”

1. Indice de Vazios

A equação de Taylor correlaciona o coeficiente de permeabilidade com o índice de vazios do solo. Quanto mais fofo o solo, mais permeável ele é. Quanto maior for o indice de vazios, maior é o K.

1. Temperatura

Quanto maior for a temperatura, menor a viscosidade da água e, portanto, mais facilmente ela escoa pelos vazios do solo com correspondente aumento do coeficiente de permeabilidade. Logo, k é inversamente proporcional à viscosidade da água.