Desenvolvimento de modelo físico para análise de perfis de umidade

Abstract

Resumo: Deslizamentos rasos desencadeados por chuva ocorrem, principalmente, pela perda de sucção mátrica devido à infiltração. O avamço da frente de umedecimento em solos não saturados, ocasionado pela precipitação, aumenta o teor de umidade, reduzindo a parcela de sucção e, consequentemente, a resistência ao cisalhamento do solo. O entendimento da variação da umidade em profundidade e em função da precipitação é, portanto, fundamental em análises de estabilidade de taludes. Posto isto, este trabalho permitiu a determinação de perfis de umidade para diferentes intensidades de precipitação com diferentes níveis de umidade inicial para um solo da região da Serra do Mar. Um modelo físico composto por uma caixa em acrílico com dimensões de 93,00 x 93,00 cm de área transversal e 80,00 cm de altura de solo e por um simulador de chuva, capaz de simular precipitações de até 105 mm/h de intensidade, foi monitorado através de sensores de umidade do solo e sensor de umidade e temperatura do ar. O solo foi caracterizado com um comportamento bimodal para curva de retenção de água, ajustada pelo modelo proposto por Fredlund et al. (2000), e teve sua função de condutividade hidráulica ajustada pelo modelo proposto por Leong e Rahardjo (1997) e o pelo Método do Perfil Instantâneo, que utiliza dados de umidade em campo para determinação da relação entre teor de umidade e condutividade. Foram realizadas seis simulações de precipitação e o sistema foi monitorado por dois meses. Em relação ao avanço da frente de umedecimento, a variação da umidade nas camadas mais superficiais aconteceu após a primeira simulação de precipitação. Para as camadas mais profundas variações significativas de umidade aconteceram apenas após um acumulado de 225,5 mm de precipitação e para uma precipitação de intensidade elevada. Para todos os sensores, a primeira variação significativa de umidade aconteceu em um tempo maior que a segunda variação, resultado da relação entre permeabilidade não saturada e a sucção. Dessa forma, concluiu-se, para o solo estudado nas condições de laboratório, que em períodos sem precipitação, em que os valores de teor de umidade do solo são mantidos abaixo de 25%, é necessário um volume considerável de chuva para que haja variações significativas de sucção em profundidade e o tempo para que essa variação ocorra é elevado. Já para períodos chuvosos, e, que os valores de teor de umidade são mantidos acima de 25%, o volume necessário para que haja variações é inferior, assim como o tempo para que ocorra variação da sucção em profundidade. Em relação à intensidade da precipitação, observou-se a influência desse parâmetro no tempo de recuperação das condições iniciais do solo após a simulação. Chuvas de elevada intensidade ocasionam alterações no teor volumétrico de água e na sucção que permanecem por tempo superior a 96 horas após o fim de sua ocorrência. Para o modelo numérico, observou-se a forte influência da função de condutividade hidráulica nos resultados. A função determinada através do Método do Perfil Instantâneo apresentou resultados mais similares aos dados de instrumentação.

Abstract: Shallow landslides triggered by rainfall occur mainly due to loss of suction by infiltration process. The increase of the wetting front in unsaturated soils, caused by precipitation, increases the moisture content, reducing the suction and, consequently, the shear strength of the soil. The understanding of the suction variation in depth and in function of the precipitation is fundamental in slope stability analyzes. Therefore, this research allowed the determination of moisture profiles for different intensities of precipitation with different levels of initial moisture for a soil collected in the Serra do Mar region. A physical model composed by an acrylic box with dimensions of 93.00 x 93. 00 cm of cross-sectional area and 80.00 cm of soil height and by a rainfall simulator, capable of simulating precipitations of up to 105 mm/h of intensity, was monitored with soil moisture probes and air humidity and air temperature sensor. The soil was characterized with a bimodal behavior for the soil-water characteristic curve, adjusted by the model proposed by Fredlund et al. (2000), and had its hydraulic conductivity function adjusted by the model proposed by Leong and Rahardjo (1997) and by the Instantaneous Profile Method, which uses field moisture data to determine the relationship between moisture content and conductivity. Six precipitation simulations were carried out and the system was monitored for two months. In relation to the advance of the wetting front, the variation in the moisture content in the most superficial layers occurred after the first precipitation simulation. For the deepest layers, significant variations in moisture content occurred only after an accumulation of 225.5 mm of precipitation and for high intensity precipitation. For all sensors, the first significant variation in moisture content occurred in a longer time than the second variation, resulting from the relationship between unsaturated permeability and suction. Thus, it was concluded that in periods without precipitation, in which volumetric water content was inferior to 25%, a considerable volume of rain is necessary for there to be significant variations in suction in depth and the time for this variation to occur is high. For rainy periods, in which volumetric water content is up to 25%, on the other hand, the volume necessary for variations to occur is lower, as well as the time for variations in suction to occur in depth. Regarding the intensity of precipitation, the influence of this parameter on the recovery time of the initial soil conditions after the simulation was observed. High intensity rains cause changes in the volumetric water content and in the suction that remain for more than 96 hours after the end of its occurrence. For the numerical model, there was a strong influence of the hydraulic conductivity function on the results. The function determined using the Instantaneus Profile Method showed results more similar to the instrumentation data.