Como dito anteriormente, se o gradiente hidráulico é diretamente proporcional à perda de carga e inversamente proporcional à distância, utilizando este modelo, a distância pode ser admitida como sendo a distância entre equipotenciais multiplicada pelo número de equipotenciais:
𝑖 =𝛥ℎ(𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙)
𝑁𝑒.𝑎
(3.10)
onde 𝑁𝑒 representa o número de quedas de potencial, 𝛥ℎ(𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙) a diferença de carga entre pontos de
entrada e saída, e “a” a distância entre equipotenciais [10].
3.4.3.2. Caudal percolado
O caudal, que está dependente da permeabilidade do meio, gradiente hidráulico, e secção, pode ser traduzido então pela equação (3.11):
𝑄 = 𝑘. ∆ℎ(𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙).𝑁𝑓
𝑁𝑒
(3.11)
onde 𝑁𝑓 representa o número de tubos de fluxo [10].
3.4.4.INSTABILIDADE HIDRÁULICA
Devido às condições que a água impõe no solo vistas atrás, podem surgir fenómenos de instabilidade que podem pôr em causa as construções feitas nestes meios. Como já foi referido, é então de grande importância analisar a ocorrência destes fenómenos para poderem ser acautelados, corrigidos ou mitigados.
3.4.4.1. Quick Condition
Este tipo de instabilidade pode surgir em zonas onde o fluxo de água é ascendente, de direção vertical, próxima da superfície, como por exemplo imediatamente a jusante de uma barragem, ou no fundo de uma ensecadeira.
Esta ocorre quando a força de percolação consequente da “ascensão” de água e a impulsão natural de uma situação hidrostática anula o peso do solo envolvido. Se este fenómeno ocorrer estamos perante uma anulação das tensões efetivas presentes no solo o que conduz a um comportamento do solo como um fluido [10].
A situação critica para este fenómeno ocorrer, é traduzido pelo gradiente hidráulico critico (𝑖𝑐𝑟):
𝑖𝑐𝑟 =
𝛾−𝛾𝑤
𝛾𝑤 =
𝛾′
O fator de segurança para a quick condition é então traduzido pela equação (3.13):
𝐹 =𝑖𝑐𝑟
𝑖 (3.13)
onde “i” representa o gradiente hidráulico existente no local de saída de água do maciço onde se pretende verificar a segurança. Fácil de perceber que se este for superior ao crítico, estamos perante uma situação de quick condition pois quer dizer que as forças de percolação e impulsão são superiores às gravíticas [10].
3.4.4.2. Levantamento hidráulico
Outro tipo de instabilidade que pode ocorrer devido à circulação de água nos maciços é o levantamento hidráulico (heave). Este é igualmente consequente do mesmo fluxo de água, mas ao contrário da situação de quick condition, o levantamento hidráulico ocorre quando a água empurra o solo como um bloco que dificulta a sua passagem. Um exemplo muito simples de perceber será uma ensecadeira com areia no fundo e uma camada subjacente de argila de menor permeabilidade. Isto faz com que a água empurre os dois como um bloco só [10].
Para avaliarmos a ocorrência deste tipo de instabilidade, é necessário comparar o peso submerso do bloco potencialmente instável W’, e a resultante das forças de percolação que são exercidas nesse bloco J [10] (Fig. 21).
O coeficiente de segurança em relação ao levantamento hidráulico é então:
𝐹 =𝑊′
𝐽 (3.14)
Naturalmente, da mesma forma que na situação de quick condition, se o gradiente médio for superior ao crítico então estamos perante a ocorrência de levantamento hidráulico [10].
Fig. 21 – Bloco potencialmente instável por levantamento hidráulico: a) geometria recomendada por Terzaghi para o bloco potencialmente instável (bpi); b) geometria mais provável do bpi em ensecadeira ou escavação de
largura reduzida [10]
3.4.5.EROSÃO INTERNA
Como foi dito antes, a força de percolação resulta da resistência que o solo oferece à passagem de água. Como esta passagem de água depende também da permeabilidade do meio, é fácil compreender que se houver uma passagem de um meio com maior para menor permeabilidade, então essa força exercida pela água será maior, o que poderá levar às instabilidades mencionadas anteriormente.
Se estivermos perante um caso, em que depois dessa camada menos permeável não houver volume de terras a estabilizar essa força, então é espectável, que a água empurre as partículas criando caminhos e vazios cada vez maiores, arrastando partículas com uma tendência crescente (Fig. 22), e criando uma situação crítica e perigosa, pois pode conduzir a uma situação incontrolável, apesar de não ser facilmente identificável, podendo pôr em causa a estabilidade global da estrutura [10].
Fig. 22 – Esquema explicativo do desenvolvimento da erosão interna: a) inicio do fenómeno; b) escoamento concentrado em galeria formada por erosão interna na interface estrutura-solo; c) desenvolvimento da galeria
[10].
Para evitar os fenómenos descritos acima, diminuir possíveis intervenções necessárias em obras, e controlar os custos de manutenção, podemos recorrer a diferentes mecanismos para acautelar ou minimizar o risco de problemas associados à percolação.
Relembrando que a percolação está dependente da permeabilidade do meio ou o caminho a percorrer pela água, então podem ser adotadas as seguintes soluções, evidenciadas na Fig. 23:
Aumento do caminho de percolação através de:
- Prolongamento da altura enterrada da estrutura no caso de ensecadeiras, - Construção de cortinas corta-água,
- Construção de tapetes impermeáveis a montante no caso de barragens.
Instalação de filtros em conjugação ou alternativa às soluções anteriores por forma a evitar a erosão interna do solo.
Fig. 23 – Redes de escoamento para diversas soluções possíveis para o controlo do escoamento no solo de fundação de uma barragem com o perfil tipo da barragem de Crestuma-Lever: a) fundação simples; b) cortina
corta-águas a montante; c) cortina corta-águas a jusante; d) cortina corta-águas a montante e jusante; e) fundação simples e tapete impermeável a montante [10].
4
CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA COM RECURSO A
ENSAIOS
4.1.INTRODUÇÃO
O ensaio SPT (Standard Penetration Test) é o ensaio mais usado no mundo [11] para caracterização geotécnica dos solos. A razão para a popularidade deste ensaio deve-se à simplicidade tanto do equipamento a usar como do procedimento a seguir para a recolha de resultados [11].
Como para a realização deste trabalho foram disponibilizadas 3 sondagens com recurso a este ensaio, entende-se por bem fazer uma descrição do SPT, pois foi a partir destas sondagens que foram estimados alguns parâmetros.