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UNIVERSIDADE FEDERAL DA INTEGRAÇÃO LATINO-AMERICANA
INSTITUTO LATINO-AMERICANO DE TECNOLOGIA, INFRAESTRUTURA E
TERRITORIO - ILATITENGENHARIA CIVIL DE INFRAESTRUTURA
Clara Elizabeth Villasboa
Gissela Michell Chang Callupe
José Cáceres Herrera
Yoshin Efrain Contreras Oscco
MODELO FISICO REDUZIDO DE UMA BARREIRA CAPILARINCLINADA
FOZ DO IGUAÇU - PR
2015
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Clara Elizabeth Villasboa
Gissela Michell Chang Callupe
Jose Cáceres HerreraYoshin Efrain Contreras Oscco
MODELO FISICO REDUZIDO DE UMA BARREIRA CAPILAR
INCLINADA
Trabalho apresentado como requisito parcial paraobtenção de aprovação na disciplina Mecânicados Solos II no Curso de Engenharia Civil deInfraestrutura, na Universidade Federal daIntegração Latino-Americana.
Professor: M. Sc. Júlio César Bizarreta Ortega.
FOZ DO IGUAÇU - PR
2015
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RESUMO
Existe uma grande variedade de sistemas de coberturas do solo, no caso para
fechamento de depósitos de resíduos sólidos e industriais têm-se barreiras
hidráulicas, solos compactados entre outras. A escolha de um sistema de cobertura
depende de fatores como custo, eficiência, etc. Uma barreira capilar é uma opção
relativamente fácil de ser executada e seu controle de qualidade na execução é
menos oneroso comparado com outros sistemas de cobertura, porem sua utilização
visando um bom rendimento (i.e. evitar a maior quantidade de infiltração de agua)
num determinado projeto depende de fatores como ângulo de inclinação, espessura
da camada, diferença de permeabilidades entre outros.
Neste trabalho pretende-se: Observar o fenômeno de barreira capilar num modelo
físico reduzido. Para isto foram realizados cinco experimentos sendo registrados
mediante vídeos e fotos os quais serão detalhados a seguir.
Palavras-chave: Modelo físico reduzido, Barreira capilar.
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO.....................................................................................................3
2. OBJETIVOS.........................................................................................................4
3. DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO..............................................................4
3.1. Revisão Bibliográfica...................................................................................4
3.1.1. Modelo Físico reduzido.........................................................................43.1.2. Barreira Capilar......................................................................................4
3.2. Procedimento experimental ........................................................................5
3.2.1. Construção do modelo físico reduzido ...............................................5
3.3. Apresentação dos resultados ...................................................................11
4. REFERÊNCIAS .................................................................................................16
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1. INTRODUÇÃO
O estudo do fenômeno da barreira capilar do solo vem-se tornando importante
desde que sua aplicação em sistemas de cobertura final de aterros indica uma boa
relação custo/beneficio e menor impacto ambiental, nesse sentido os pesquisadores
da área iniciaram-se no estudo das forças capilares dentro do solo em condições
não saturadas e climas áridos e semi – áridos ; procurando modelar, de forma física
e numérica, os parâmetros que afetam o efeito em questão.
A barreira capilar em termos simples vem a ser a superposição de, no
mínimo, dois materiais de diferente contextura (i.e. material grosso e material fino),
esse contraste dos materiais que possuem diferentes características hidráulicas
permite o efeito da barreira com a finalidade de evitar a infiltração de fluidos (e.g.
agua da chuva, chorume, etc.).
Existem duas possibilidades de barreira capilar, de forma horizontal e
inclinada. A barreira capilar inclinada ajuda a drenar o fluido armazenado na barreira
para que não se rompa o equilíbrio entre as duas camadas de solo já que com otempo a maior agua armazenada maior capacidade infiltrar a camada grossa.
No presente trabalho optou-se por estudar um modelo físico de uma barreira
capilar inclinada na cidade de Foz do Iguaçu para isto foram realizados
experimentos da infiltração da agua de chuva, os experimentos têm características
variadas desde o tipo de material, a forma da chuva e o recipiente contendor.
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2. OBJETIVOS
O trabalho tem por objetivo observar o efeito de barreira capilar no solo
mediante a experimentação física num modelo físico reduzido.
3. DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO
3.1.Revisão Bibliográfica
3.1.1. Modelo Físico reduzido
Um modelo é uma representação ou interpretação simplificada da realidade,onde se estuda o detalhamento do comportamento de uma estrutura.
Na área da engenharia são conhecidas como modelos físicos as construções
em uma escala reduzida de obras de engenharia para estudar seu comportamento,
e de essa maneira pode permitir aperfeiçoar os desenhos, antes de iniciar a
construção das obras reais. O modelo físico em esta área também é conhecido
como modelo reduzido, a qual se usa com frequência para os estudos de eclusas,portos, represas, pontes, aeroportos, etc.(ARQHYS).
3.1.2. Barreira Capilar
De acordo com Silva (2011), barreira capilar é o nome dado ao arranjo
formado por uma camada de material de textura fina sobreposta a uma camada de
material de textura grossa que, em condições não saturadas, impede ou restringe aentrada da água nos poros maiores deste último material.
Nessas condições, o solo granular abaixo do solo fino apresenta baixo teor de
umidade volumétrica e, consequentemente, baixa condutividade hidráulica não
saturada que limita o movimento de fluxo de água descendente da camada de solo
fino (AUBERTIN et al ., 2006).
O objetivo de este sistema de cobertura é minimizar o volume de água que se
infiltra no aterro e atinge as camadas subjacentes juntamente com sistemas de
drenagem instalados antes e depois dos sistemas de cobertura (IZZO, 2013).
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Para permitir um fluxo livre de água na camada capilar, uma inclinação
mínima entre 10 a 20° é necessária. Na zona de contato entre os dois materiais, a
mudança brusca, entre poros pequenos na camada capilar e mais largos na de
bloqueio, resulta no efeito final que é a não passagem de líquidos para as camadas
subjacentes. Somente quando a coluna de água for suficientemente grande, ao
ponto da pressão de água superar a força capilar, ocorrerá, então, a passagem de
líquido em uma barreira capilar (IZZO, 2013).
Observa-se na Figura 1 o funcionamento bidimensional da barreira capilar e
sua possível falha que pode acontecer.
Figura 1 Representação de uma barreira capilar.
A barreira capilar tende a ser quebrada quando as condutividades hidráulicas
dos dois solos são iguais. Neste momento, inicia-se o fluxo da camada de solo
superior para a camada de solo inferior. Caso a barreira capilar seja mantida durante
o processo de infiltração no solo superior, o solo fino pode armazenar a água que
infiltrou escoando o excesso de água pela drenagem lateral (FURLAN, 2008).
3.2.Procedimento experimental
3.2.1. Construção do modelo físico reduzido
A construção do modelo físico reduzido foi realizado por tentativas seguindo a
bibliografia e modelos já realizados, para a qual foram utilizadas: solos de diferentes
granulometrias, um recipiente (caixa plástica e caixa de vidro) com três buracos por
um lado para a saída da agua do modelo (dreno), aspersor de agua, garrafa comagua, telas (gaza), sacolas plásticas.
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Figura 2 Caixa de plástico e vidro
Figura 3 Casacalho para o dren Figura 4 Cascalho
Figura 5 Gaza Figura 6 Garrafa com agua
Experimento 1
Neste experimento foram utilizadas areia media, areia fina e cascalho.
Primeiramente foi colocado a areia media com inclinação de 22° aproximadamente
em todo o comprimento da forma (caixa), sobre ela foi colocada a areia fina com
uma espessura de aproximadamente 7cm deixando um espaço de 5cm para acolocação do cascalho com função de dren (figura 7), entre a areia media e o dren
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foi colocado horizontalmente uma sacola com função impermeabilizante, da mesma
forma foi colocada uma gaza em forma vertical entre o cascalho e a areia fina que
impeça a passagem do solo fino para o cascalho.
Figura 7 Modelo fisico1-vista de perfil
Figura 8 Dren feita com cascalho Figura 9 Modelo fisico1-vista de planta
Uma vez realizado o modelo, este foi levado para a câmera do aspersor para simular
uma chuva e consequentemente fazer a observação.
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Experimento 2
Neste segundo experimento foram utilizadas areia media, areia fina e cascalho.
Este experimento foi realizado com os mesmos materiais que o primeiro e o
procedimento foi similar tanto para a construção do modelo como para a simulação
da chuva com a diferença que para este caso a sacola de plástico foi estendida
passando até parte da interseção da areia grosa com a fina (figura 10).
Figura 10 Figura 8Modelo fisico2-vista de perfil
Experimento 3
Neste experimento foram utilizadas areia grosa, solo residual e cascalho.
Primeiramente foi colocado a areia grosa com inclinação de 21° aproximadamente
formando um talude em todo o comprimento da forma (caixa), sobre ela foi colocada
o solo residual 5cm aproximadamente seguido de 5 cm de cascalho para o dren
(figura 11), entre a areia grosa e o dren foi colocado horizontalmente uma sacolacom função impermeabilizante passando até a interseção da areia grosa e a areia
fina, da mesma forma foi colocada uma gaza em forma vertical entre o cascalho e o
solo residual (figura 12).
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Figura 11 Modelo fisico3-colocação do dren
Figura 12 Modelo fisico3-colocação da segunda camada de solo
Uma vez concluído o modelo desta vez a agua foi adicionada mediante uma garrafa,
sendo colocada sobre o capa de solo papel toalha (figura 13) para evitar o contato
brusco da agua evitando erosão.
Figura 13 Colocação de papel para adicionar a agua
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Experimento 4
Neste experimento foram utilizadas cascalho e areia fina.
Foi colocado a primeira camada de cascalho com uma inclinação de 23°
aproximadamente em todo o comprimento da caixa de vidro, sobre ela foi colocado
uma camada de areia fina de 8 cm de espessura também em todo o comprimento da
caixa, colocando-se na interseção de ambos materiais uma sacola plástica no final
do talude (figura 14).
Figura 14 Modelo fisico4-vista de perfil
Uma vez concluído o modelo desta vez a agua foi adicionada mediante uma garrafa,
sendo colocada sobre a capa de solo uma tela para evitar o contato brusco da agua
evitando erosão.
Experimento 5
Neste experimento foram utilizadas areia fina e solo residual de Foz do Iguaçu.
Foi colocada sobre o cascalho uma camada de areia fina com uma inclinação de 24°
aprox. e 10 cm de espessura em todo o comprimento da caixa de vidro,
posteriormente sobre ela foi colocado o solo residual com uma espessura de 5cm
(figura 15).
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Figura 15 Modelo fisico5-vista de perfil
Uma vez concluído o modelo a agua foi adicionada mediante uma garrafa, sendo
colocada sobre o capa de solo uma tela (figura 16) para evitar o contato brusco da
agua evitando erosão.
Figura 16 Modelo fisico5- tela sobre o solo para a adição de agua
.
3.3.Apresentação dos resultados
Experimento 1:
Observou-se a infiltração da agua no meio da barreira já que o aspersor (chuva)
estava centrado na metade do recipiente e a altura era longa o que provocou erosão
do solo; a agua não foi para o dren devido ao curto comprimento de sacola plástica.
Também se ressalta que a intensidade alta da chuva poderia ser uma causa para
que o acumulo de agua não permitisse recuperar a barreira e possa desviar a agua.
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Figura 17 Resultado do experimento 1
Figura 18 Efeito da concentração da chuva num ponto
Experimento 2:
Observou-se que colocando um plástico para evitar a grande altura do aspersor se
evito a erosão, mas a intensidade continuo sendo grande o que permitiu infiltração
da agua e por tanto rompimento da barreira.
Também pode ser por uma má compactação dos materiais que não alcance ao dren
e rompa antes.
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Figura 19 Inicio de infiltração
Figura 20 Resultado do experimento 2
Experimento 3:
Observou-se uma infiltração na primeira camada isto ocorre devido a que a argila
estava muito úmida e a simulação de chuva não foi bem feita e a granulometria das
amostras não tinha muita diferença.
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Figura 21 Inicio da infiltração
Experimento 4:
Observou-se o rompimento da barreira capilar em todo o comprimento, uma dascausas pode ser a falta de preenchimento de espaços vazios entre a interface de
material grosso e fino, neste caso ao trocar o material grosso, o cascalho deixo
alguns espaços vazios.
O efeito da chuva mediante a colocação de um pano e lançamento da agua perto
evitou a erosão.
O efeito de trocar o recipiente por um maior, afeto na barreira no sentido de poder
manter um angulo de inclinação maior e assim facilitar a drenagem da agua.
Figura 22 a e b Simulação do modelo de Marinho (1997)
Experimento 5:
Observou-se o correto funcionamento da barreira não permitindo a infiltração da
agua no material grosso e percorrendo o comprimento ate chegar ao dren. Já depois
de um tempo a barreira rompeu uma mínima quantidade de agua.
Do experimento pode-se ressaltar que:
• A diferença de permeabilidades foi o suficiente;
• Foi feita uma boa compactação na interface dos materiais;
• A intensidade da chuva moderada permitiu a drenagem;
Foram medidos os seguintes parâmetros do experimento:
• Angulo de inclinação 24 graus;
• Comprimento 24 cm, Largura 10 cm e altura de 50 cm;
• Espessura da camada fina: 5 cm;
• Espessura da camada grossa: 10 cm;
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Figura 23 Avanço do fluxo lateral na camada superior
Figura 24 Fluxo lateral em todo o comprimento do modelo
Figura 25 O fluxo lateral alcançou o dren e começo a infiltrar à camada grossa
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4. REFERÊNCIAS
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AUBERTIN, M.; CIFUENTES, E.; MARTIN, V... An investigation of factors thatinfluence the water diversion capacity of inclined covers with capillary barrier effects. Centre-ville, Montreal, Qc, Canada: Universite Du Quebec En Abitibi-temiscamingue, 2010. 12 p. Disponível em:. Acesso em: 15
nov. 2015. AUBERTIN, M.; CIFUENTES, E.; APITHY, S.a.. Analyses of water diversion alonginclined covers with capillary barrier effects. In: ENVIROMENT AND MINE WASTESMANAGEMENT, 46., 2010, Montreal. Proceedings.... Montreal: NRC ResearchPress, 2009. p. 1 - 19.
ARQHYS. Modelos Fisicos. Disponivel em: <http://www.arqhys.com/arquitectura/fisicos-modelos.html>. Acesso em: 01 dic.2015.
FURLAN, G. C. Avaliação da Influência de um agente repelente sobre as
propriedades mecânicas e hidráulicas de um solo arenoso. Dissertação deMestrado, Departamento de Construção Civil, Universidade Federal do Paraná,Curitiba, 105p (2008)..
KÄMPF, Markus; MONTENEGRO, Hector. On the performance of capillary barriersas landfill cover. Hydrology and Earth System Sciences, v. 1, n. 4, p. 925-930,1997.
IZZO, Ronaldo Luis dos Santos; MAHLER, Claudio Fernando; ROSE, JulianaLundgren. Barreira Capilar construída com resíduo pre-tratado mecânica ebiologicamente. Engenharia Sanitaria Ambiental, Curitiba, v. 4, n. 18, p.303-312,
10 nov. 2013.
PARENT, Serge-etienne;CABRAL, Alexandre.Design of inclined covers with capillarybarrier effect.In: GEOTECHNICAL AND GEOLOGICAL EGINEERING, 24., 2006,Quebec. Proceedings... . Quebec-canada: Springer, 2006. p. 689 - 710.
SILVA, Paulo Agusto Diniz. Estudo do Fenômeno de Barreira Capilar:Modelagem numérica e experimentação física. 2011. 187 f. Tese (Doutorado) -Curso de Engenharia Civil, Escola de Engenharia da Ufmg, Universidade Federal deMinas Gerais, Belo Horizonte, 2011. Disponível em:. Acesso em: 15 nov. 2015.