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Mecânica dos Solos Não Saturados:Na Prática da Engenharia

Fernando A. M. Marinho

Universidade de São Paulo

Outubro 2014

Sucção

Sucção

Efeito da tensão aplicada e da sucçãoAreia

wu ' )('

waa uuu

0 100Grau de Saturação (%)

Ensinode

graduação

Ensinode

graduação

?

“If you learn to think the way unsaturated soil behaves, then you will make wise engineering decisions” – Dell Fredlund

Journal of Aplied Nutrition

Aplied Osteopathy Yearbook

Journal of Aplied Physiology

Solid State Physics : Problems and Solutions

Journal of Aplied Physics

Theoretical and Applied Aspects of Health PsychologyA Practical Guide to Groundwater and Solute Transport Modeling

The Basic Practice of StatisticsCounseling the Culturally Diverse: Theory and PracticeThe Practice of Nursing Research: Conduct, Critique & UtilizationTheory and Practice of Group PsychotherapyLeadership : Theory and PracticeThe Practice of the Presence of God: With Spiritual MaximsPractice Makes Perfect: Spanish Pronouns And Prepositions

The Practice of Programming Massage Therapy: Principles and Practice

1.1

30

.00

0.0

00

ref

erê

nci

asao

term

oP

ráti

ca

O que há de diferente no

enfoque “não saturado”?

Princípio das tensões efetivas (validade)

Interação com o meio ambiente

• Grande parte das obras de engenharia são feitas em solos não saturados ou utilizam os solos no estado não saturado.

• Estes solos são muitas vezes interpretados como sendo “problemáticos” porque quando sujeitos a variações de grau de saturação eles expandem, colapsam, reduzem a resistência.

• Em outras palavras mudam as suas características de estado.

Drenagem

Aterro

Túnel

Princípio das tensões efetivas

Pressão Negativa - SucçãoPressão Positiva

Grau de Saturação

Princípio das tensões efetivas

wu '

'c

t

'Aumento da pressão

da água dos poros

Envoltória de Resistência de um Solo Saturado

A teoria, a prática e a previsão do comportamento

nível de água

+

wwh

Solo

-S = 100%

S = 100%

whw

hw

Perfil de pressão da água em meios porosos

-

+

Perfil de Sucção Variação Sazonal

N.A.

Zona Ativa

Bodman and Colman, 1948

Infiltração

a. Pré-construção em época seca

b. Pré-construção em época úmida

c. Pós-construção sob área coberta

d. Pós-construção acima de nível d´água suspenso

e. Perfil de Eqüilíbrio

Terzaghi et al. (1996)

Exemplos de perfis de sucções

Empirismo

Perfil

do subsolo

Investigação de campo

ModelagemComportamento

do solo

Experimentos, ensaios

e medições de campo Idealização, modelagem,

análise

John Burland

A água nos materiais porosos

• Indústria de alimentos

• Indústria farmacêutica

• Indústria de adubos

• Mineração

• Agricultura

• Engenharia Civil

• Engenharia Geotécnica

A água nos materiais porosos

A curva de retenção de água

1 10 100 1000 10000 100000

Sucção (kPa)

0

10

20

30

40

Te

or

de

Um

ida

de

(%

)

(a)

(b)

(c)

(d)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 10 100 1000 10000 100000

De

gre

e o

f S

atu

ratio

n (

%)

Matric Suction (kPa)

A HORIZON

M2A30

M2A50

P1A30

P1A50

Maranduba and Perequê-Mirim.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 10 100 1000 10000 100000

Degre

e o

f S

atu

ratio

n (

%)

Matric Suction (kPa)

C HORIZONPEREQUÊ

P1C250

P1C350

P1C400

P1C500

P1C650

P1C670

P1C750

Perequê-Mirim

Orlando et al. (2014)

A água nos materiais porosos

m.c.a

h

q (%)

(solo 1)

(solo 2)

(solo 3)

Terminal Marítimo de Ponta da Madeira

Estocagem de minério em Carajás (Brasil -PA) Carregamento de minério nos

vagões em Carajás

(boa drenagem)

Estocagem de minério em Ponta da Madeira

(acumulação de água)

Minério saturado na base do porão

Máquinas para auxiliar a descarga Perdas de minério

Carregamento do minério no Navio

em Ponta da Madeira

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000

Sucção (kPa)

0

10

20

30

40

50

60

Vo

lum

etr

ic W

ate

r C

on

ten

t (%

)

SFCJ

Pellet

FRD

PFCJ

PFM

Solos Não Saturados na Prática

Capacidade de retenção de água

10-02

10-01

1000

1001

1002

1003

1004

1005

Sucção (kPa)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

Vo

lum

etr

ic W

ate

r C

on

ten

t (%

)

Hydrus

SFCJ

10-02

10-01

1000

1001

1002

1003

1004

1005

Suction (kPa)

1.00x10-11

1.00x10-10

1.00x10-09

1.00x10-08

1.00x10-07

1.00x10-06

1.00x10-05

1.00x10-04

1.00x10-03

1.00x10-02

Perm

eab

ilit

y (

cm

/s)

Solos Não Saturados na Prática

Parâmetros e Modelos

Simulação

Acumulação de Água

Capacidade de retenção de água

Sem drenagem

Simulação

0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Volumetric Water Content

0

50

100

150

200

250

300

De

pth

(cm

)

Time (days)

0

2

7

48

Column - 7days

Column - 2days

Simulação e Previsão

+Aumento do FS

Conservador

Ousado (imprudente)

Solos Não Saturados na Prática

bwa tguuc )('

t

Redução da sucção

Aumento da pressão da água dos poros

Pressão negativa da água

Pressão positiva da água

Solos Não Saturados na Prática

Aumento da sucção, aumento da resistência, diminuição da compressibilidade

Areia

Argila

Rupturas de Taludes

Rupturas de Taludes

Atuantes Forças

es ResistentForçasFS

Wsen

)tan(c ''' lFS

Wsen

)tantan)((c ''' luuFS

b

wa

1

2

3

1 2

3 4

5

6

7

8 9

0.526

1 2

3 4

5

6

7

8 9

FS <1

ConglomeradoUnit Weight 18 kN/m³Cohesion 5 kPaPhi 30

ArgilitoUnit Weight 18 kN/m³Cohesion 0 kPaPhi 15

1.5

1.0

Por que as coisa caem?Por que as coisas não caem?

chuvavento

peso

Força resistente

1 deFator peso resistenteforça a Se Segurança

Popescu (2002)

Desenvolvimento do Fator de Segurança de um Talude

Em muitos casos taludes são definidos com base na experiência local que incorpora:

• Conhecimento do solo da região• Aspectos climáticos

Fator de Segurança

Variabilidade

Observem os taludes nas estradas !

Projetado para permanecernão saturado ?

Solos Não Saturados na Prática

Escavação em areia(obra temporária)

Proteção para redução da infiltração de água

Envoltórias de ruptura para diversas sucções

Fredlund & Rahardjo. (2003)

Capacidade suporte em sapata corrida em função da sucção

Ganho de “coesão”

Curva de Retenção de Água

Pressão Negativa - SucçãoPressão Positiva

Grau de Saturação t

SucçãoPrincípio das Tensões Efetivas

Solos Não Saturados na Prática

Pressão da água dos poros+-

Desenvolvimento de pressão da água em solos compactados

Tensiômetros

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Confining Pressure (kPa)

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

Po

re W

ate

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res

su

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kP

a)

SD-4 Loading

SD-7 Loading

SD-4 Unloading

SD-7 Unloading

Marinho et al (2003)

Curva tensão versus recalque de ensaios realizados em areia argilosa com medição de sucção

Costa et al. (2003)

Aumento da sucção

Yoshida et al., 1993).

Solos Potencialmente Expansivos

Variação da pressão de expansão com o peso específico seco para solos compactados

Efeito das Condições Iniciais

Solução para Evitar a Sazonalidade

Barreira Evapotranspirativa

Barreira Convencional

PrecipitaçãoRun-off

Infiltração

Precipitação

Run-off

Infiltração

Evapo-transpiração

Barreira Evapo-Transpirativa

Modificado de Cui & Zomberg (2005)

Outras Aplicações

Aterros de resíduos sólidos

Sistema

Tradicional

cobertura

Drenagem

Barreira de Argila

(k > 10-9 m/s)

Coletor de gás

Resíduo Sólido

Solo

fino

Solo

granular

Resíduo

Sólido

Barreira CapilarBarreira

Evapotranspirativa /

Vegetativa

Solo

Fundação

Resíduo

Sólido

Usar os aspectos climáticos associados com

características de retenção de água dos

materiais porosoas (solos e resíduos)• Minimizar Infiltrações (Controlar a

entrada de água)

• Isolar o Resíduo (minerãção ou RSU)

• Controlar a saída de gás

Definição do problema

A visão do problema é sempre baseada na mecânica dos

solos clássica

(É necessário o conhecimento!)

Medição do estado de tensão

A determinação da sucção pode ser uma tarefa difícil

(Será que precisamos sempre da sucção?)

Ensaios para obtenção de parâmetros

Os ensaios levam muito tempo e são muitas vezes difíceis de

analisar

(Será que escolhemos os ensaios corretospara a solução de problemas?

Dificuldades

Definição do problema

Com os aspectos relativos aos fenômenos da mecânica dos solos não

saturados em mente, pode-se facilmente(?) elaborar um cenário que

define com precisão o problema a ser analisado

Medição do estado de tensão

Existem muitas técnica que permitem medir ou inferir a sucção. O uso

da curva de retenção de água é um grande facilitador

Ensaios para obtenção de parâmetros

Cada vez mais os ensaio estão sendo simplificados e o uso da curva de

retenção tem colaborado para uma avaliação rápida de diversos

aspectos do comportamento dos solos não saturados

Análise númerica

Tem sido uma maneira rápida de se avaliar os problemas com o

enfoque: “o que acontece se?”

Facilitadores

“If you learn to think the way unsaturated soil behaves, then you will make wise engineering decisions” – Dell Fredlund

Obrigado