OS EFEITOS DOS PARÂMETROS HIDRÁULICOS NO COMPORTAMENTO TENSÃO-DEFORMAÇÃO NOS SOLOS NÃO SATURADOS E SUAS INTERAÇÕES COM A ESTRUTURA

OS EFEITOS DOS PARÂMETROS HIDRÁULICOS NO COMPORTAMENTO TENSÃO-DEFORMAÇÃO NOS SOLOS NÃO SATURADOS E SUAS INTERAÇÕES COM A ESTRUTURA

RAFAEL RAMOS FERREIRA

TIAGO ...

WELLINGTON ALVES DA SILVA

Introdução

As pesquisas em solos não saturados originaram-se na área de ciências dos solos, onde grandes pesquisados dessa área foram cruciais para no desenvolvimento de conceitos e técnicas de ensaios para solos não saturados, onde podemos citar como precursores: Bucking – que definiu e conceituou potencial da água em 1907; Richard – que definiu a equação de fluxo em solos não saturados em 1928, bem como a técnica do papel filtro em 1941 (DELEGE, 2002). Temos também 1925, algumas publicações de Haines, também voltadas na área de ciência dos solos (VANAPALLI, FREDLUND, 1999), os quais foram bastante importantes seus relatos, os quais indicam que um aumento da coesão ocasiona aumento da pressão negativa da água existente nos vazios dos solos.

Segundo Fredlund e Rahardjo (1993), o desenvolvimento teórico-conceitual de sucção em solos data do início do século XX, onde estão relacionados com princípios da termodinâmica, através da física dos solos.

Segundo Terzaghi (1936) que publicou do princípio das tenções efetivas, conduzindo a uma boa compreensão da descrição do comportamento dos solos saturados, estendendo também seu conceito para solos parcialmente  saturados, porém Bishop (1959) contribuiu criticamente pelo fato de não integrar determinado aspecto específico do comportamento dos solos não saturados, caracterizados como fenômenos de colapso.

Recentemente vemos que os parâmetros hidráulicos interferem bastante no comportamento tensão-deformação em solos não saturados, em que estudos mostram que, para pequenas deformações, fenômenos como grau de cimentação e forças elétricas também podem interferir significativamente no controle da rigidez e da resistência desses solos (E. G. BARZEGAR et al. 1995; VANAPALLI, FREDLUND, 1990; LI e WILLIAMS, 2007).

 

Desenvolvimento

A condutividade hidráulica é requerida em diversos problemas na construção civil. Nesse trabalho veremos que as condutividades hidráulicas não saturadas estimadas foram comparados aos valores teóricos previstos pelo modelo matemático de Mualen – van Genuchten (van Genuchten, 1980).

Nos solos não saturados considera-se uma nova fase, a chamada, película de água, também conhecida como membrana contrátil.  Já a poro pressão negativa observada nos solos não saturados, é um parâmetro ligado a pressão efetiva, juntas alteram a forma de compreensão dos solos não saturados em se tratando de pressão efetiva (STERCK, 2011. P. 23).

Na prática da Engenharia Civil nos deparamos diuturnamente com materiais cujo comportamento não se mostra condizente com os princípios e conceitos da clássica mecânica dos solos saturada.  Solos não saturados representam os principais materiais que não apresentam comportamentos relacionados à mecânica dos solos clássica, onde os solos não saturados apresentam duas fases e a pressão de água nos solos é negativa, dai qualquer solo que se encontra próximo a superfície, localizado em um ambiente relativamente seco, estará sujeito a pressão negativa e consequentemente a dessaturação (STERCK, 2011. p. 29).

A mecânica dos solos não saturados apresenta tipos de problemas comuns aos solos saturados, que são as pressões de água nos poros do solo negativos. As sapatas isoladas rasas geralmente são projetadas para estruturas leves, onde a capacidade de carga de solos, argilosos, subjacentes é avaliada baseando-se na resistência a compressão não confinadas no solo.  Estas sapatas podem ser facilmente construídas estando o nível de água abaixo da base dessas estruturas.  Vemos na maioria dos casos que, o lençol freático está, consideravelmente, em profundidade referente a estrutura, porém o solo abaixo da estrutura pode apresentar pressão de água negativa nos poros (STERCK, 2011. p. 29).

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Capacidade para uma estrutura leve disposta sobre solo com poropressão negativa (Fredlund & Rahardjo, 1993)..

Em geral, considera-se um solo não saturado como um sistema trifásico, porém recentemente foi reconhecido o papel da interface água-ar, chamadas também de membrana contrátil, considerada como uma fase adicional considerando-se certos mecanismos físicos.  O comportamento mecânico do solo é gerado quando a fase de ar é contínua, havendo interação com as partículas. Para melhor entendimento, um diagrama de quatro fases de um solo não saturado, onde entende-se que a membrana contrátil é significativamente reduzida, sendo desnecessária em relação massa volume para um solo não saturado (STERCK, 2011. p. 31).

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Solo não saturado composto por quatro fases (Fredlund e Rahardjo, 1993)

Para compreendermos o comportamento do sistema trifásico (ar, água e membrana contrátil) as propriedades básicas das partículas do solo devem ser consideradas, onde a propriedade mais importante da membrana contrátil é sua capacidade de se tracionar, chamada de tensão superficial (FREDLUND e RAHARDJO, 1993).

Para que entendamos os efeitos dos parâmetros hidráulicos em solos não saturados, devemos entender inicialmente a viscosidade, em que todos os fluidos resistem à mudança de forma (deformação) ou ao cisalhamento, chamada de viscosidade.   A viscosidade absoluta depende da pressão e da temperatura, porém a influência da pressão é desprezada normalmente em aplicações para a engenharia civil, onde a viscosidade de líquidos se mostram decrescentes na medida em que há aumento da temperatura, enquanto a viscosidade do ar cresce com o aumento da temperatura (FREDLUND e RAHARDJO, 1993).

Devido a tensão superficial a membrana contrátil se comporta como uma membrana elástica, possuindo pressão interna maior do que a pressão externa.  Tratando-se de solos não saturados a membrana contrátil está sujeita a pressão do ar, onde esta é maior que a pressão da água, denominada sucção, ou sucção mátrica (STERCK, 2011. p. 40) .  

Segundo Fredlund e Rahardjo (1993), citando o modelo de capilaridade de Kelvin, onde a sucção mátrica do solo cresce o raio de curvatura da membrana contrátil decresce, onde essa membrana curvada é chamada de menisco.  Quando as moléculas de água na superfície são atraídas para o interior da massa, com maior intensidade que o ar, cria-se um diferencial de pressão entre as duas fases, fazendo com que a membrana contrátil deixe de ser plana.   Essa diferença de pressão observada produz um fenômeno de capilaridade provocando uma ascensão capilar equilibrando as forças na vertical.  O solo pode ser considerado como um emaranhado de formas, arranjos e diâmetros diferentes (Reichard, 1990).