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Determinação da taxa de infiltração da água através de sensores termopares e de capacitância (FDR) em um solo areno-siltoso remoldado em laboratório

Infiltration measurement systems are not standardized. Traditional equipment is strongly influenced by factors that cannot be controlled, requires mobilization of the construction site, and has limited use in the laboratory. On the other hand, modern measuring equipment has high costs and usually pr...

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Autor principal: Almeida, Jessica Leindorf de
Formato: Dissertação
Idioma: Português
Publicado em: Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2022
Assuntos:
Infiltração
Sensores
Arduino (Controlador programável)
Solos - Umidade
Solos argilosos
Seepage
Sensors
Arduino (Programmable controller)
Soil moisture
Clay soils
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL::CONSTRUCAO CIVIL
Engenharia Civil
Acesso em linha: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/27960
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spelling riut-1-279602022-04-12T06:07:36Z Determinação da taxa de infiltração da água através de sensores termopares e de capacitância (FDR) em um solo areno-siltoso remoldado em laboratório Determination of water infiltration rate through thermocouples and capacitance sensors (FDR) in a laboratory remolded sand­silty soil Almeida, Jessica Leindorf de Izzo, Ronaldo Luis dos Santos https://orcid.org/0000-0002-6290-1520 http://lattes.cnpq.br/8384136461605241 Domingos, Matheus David Inocente https://orcid.org/0000-0002-2514-9915 http://lattes.cnpq.br/2548362208678719 Izzo, Ronaldo Luis dos Santos https://orcid.org/0000-0002-6290-1520 http://lattes.cnpq.br/8384136461605241 Teixeira, Sidnei Helder Cardoso http://lattes.cnpq.br/3337076541983258 Torres, Vanessa Correa de Andrade https://orcid.org/ 0000-0003-4957-5596 http://lattes.cnpq.br/4777699218798828 Infiltração Sensores Arduino (Controlador programável) Solos - Umidade Solos argilosos Seepage Sensors Arduino (Programmable controller) Soil moisture Clay soils CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL::CONSTRUCAO CIVIL Engenharia Civil Infiltration measurement systems are not standardized. Traditional equipment is strongly influenced by factors that cannot be controlled, requires mobilization of the construction site, and has limited use in the laboratory. On the other hand, modern measuring equipment has high costs and usually provides indirect data that needs to be interpreted to obtain the infiltration rate. In this context, the present study aims to determine the water infiltration rate in a sandy-silty soil remolded in the laboratory through thermocouple and capacitance sensors (FDR) compatible with Arduino. The developed equipment will improve the infiltration measurement to obtain it in a direct, fast, and economical way. For this, a soil composed of 70% of medium sand and 30% of silty soil of the Guabirotuba Formation, both dry, where the fines were excluded to avoid expansion, was developed. Granulometry test, real grain density (Gs), Atterberg limits, X-ray Fluorescence Spectrometry (FRX), X-ray Diffractometry (DRX), Scanning Electron Microscopy (MEV), and Proctor compaction at standard, intermediate, and modified energy for the materials were carried out. The infiltration tests were performed in three replicates for each humidity point of the Proctor curve with the sandy-silty soil at the modified energy. The cylinders used for molding the samples were made of acrylic, thereby allowing the visualization of the wetting front. The infiltration inside the sample was determined by equipment composed of a microcontroller (Arduino), an internet connection device (ESP 8266), and temperature (thermocouple) and humidity (FDR) sensors embedded in a fiberglass board. With the equipment data, the infiltration per time curves were drawn for the sandy-silty soil created, and the infiltration rate of this soil at different molding moistures was fitted to mathematical equations. From the results, it is possible to highlight that the time for water to infiltrate in the driest soil was approximately twice as short as in the wettest soil, taking 7.1 minutes and 14.1 minutes, respectively. However, after a certain humidity where the soil was very wet, its ability to retain water was compromised, causing the infiltration to become faster. This behavior can be observed in the samples molded with 13.8% and 10.3% of initial moisture. The wetter samples had a higher infiltration rate (81.16 mm.h-1) than the samples with 10.3% (71.31 mm.h-1). The empirical equations developed to determine the infiltration rate were all powers with the base as the time it took to the water to infiltrate. When comparing them with the other empirical methods for determining the infiltration rate already consolidated in the literature (Kostiakov, Kostiakov-Lewis and Horton), the Horton model was the one that best fitted the tests performed. Finally, the equipment was validated through the capacitance sensor (FDR) and visual tests of the wetting front. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Os sistemas de medição de infiltração não são padronizados, sendo que os equipamentos tradicionais são fortemente influenciados por fatores que não podem ser controlados, além de demandarem mobilização do canteiro de obra e terem sua utilização em laboratório limitada. Já os equipamentos modernos de medição possuem custos elevados e normalmente fornecem dados indiretos que precisam ser interpretados para se obter a taxa de infiltração. Nesse contexto, a presente pesquisa tem como objetivo a determinação da taxa de infiltração da água em um solo areno-siltoso remoldado em laboratório através de sensores termopares e de capacitância (FDR) compatíveis com o Arduino. O equipamento desenvolvido visa aprimorar a medição da infiltração para que ela seja obtida de forma direta, rápida e econômica. Para isso, utilizou-se um solo desenvolvido para essa pesquisa composto por 70% de areia média e 30% de um solo siltoso da Formação Guabirotuba, ambos secos, em que os finos foram excluídos a fim de se evitar a expansão. Foram conduzidos ensaios de granulometria, densidade real dos grãos (Gs), limites de Atterberg, Espectrometria de Fluorescência de Raios-X (FRX), Difratometria de Raios-X (DRX), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e compactação Proctor nas energias normal, intermediária e modificada para os materiais. Os ensaios de infiltração foram realizados em triplicata para cada ponto de umidade da curva Proctor com o solo areno-siltoso na energia modificada. Os cilindros utilizados para a moldagem dos corpos de prova (Cps) eram de acrílico, permitindo a visualização da frente de umedecimento. A infiltração no interior do CP foi determinada por um equipamento composto por um microcontrolador (Arduino), um dispositivo de conexão à internet (ESP 8266) e sensores de temperatura (termopar) e umidade (FDR) embarcados em uma placa de fibra de vidro. Com os dados do equipamento, foram traçadas as curvas de infiltração versus tempo para o solo areno-siltoso e foram encontradas equações capazes de determinar a taxa de infiltração deste solo em diferentes umidades de moldagem. Dos resultados encontrados, é possível destacar que o tempo para a água infiltrar no solo mais seco foi aproximadamente duas vezes menor que no solo mais úmido, levando 7,1 minutos e 14,1 minutos, respectivamente. Entretanto, a partir de uma certa umidade, pelo fato de o solo encontrar-se muito encharcado, sua capacidade de reter a água ficou comprometida, fazendo a infiltração voltar a ficar mais rápida mesmo com o solo estando mais úmido. Esse comportamento pode ser observado nos Cps moldados com 13,8% e 10,3% de umidade inicial. Os Cps mais úmidos tiveram taxa de infiltração mais alta (81,16 mm.h-1) que os Cps com 10,3% (71,31 mm.h-1). As equações encontradas empiricamente para a taxa de infiltração são de potenciação, tendo como base o tempo que a água leva para infiltrar. Ao compará-las com os demais métodos empíricos de determinação da taxa de infiltração já consolidados na literatura (Kostiakov, Kostiakov-Lewis e Horton), o que melhor se ajustou aos ensaios realizados foi o modelo de Horton. Por fim, o equipamento foi validado através do sensor de capacitância (FDR) e de ensaio visual da frente de umedecimento. 2022-04-11T21:37:50Z 2022-04-11T21:37:50Z 2022-03-08 masterThesis ALMEIDA, Jessica Leindorf de. Determinação da taxa de infiltração da água através de sensores termopares e de capacitância (FDR) em um solo areno-siltoso remoldado em laboratório. 2022. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/27960 por openAccess http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/ application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil UTFPR
institution Universidade Tecnológica Federal do Paraná
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Almeida, Jessica Leindorf de
Determinação da taxa de infiltração da água através de sensores termopares e de capacitância (FDR) em um solo areno-siltoso remoldado em laboratório
description Infiltration measurement systems are not standardized. Traditional equipment is strongly influenced by factors that cannot be controlled, requires mobilization of the construction site, and has limited use in the laboratory. On the other hand, modern measuring equipment has high costs and usually provides indirect data that needs to be interpreted to obtain the infiltration rate. In this context, the present study aims to determine the water infiltration rate in a sandy-silty soil remolded in the laboratory through thermocouple and capacitance sensors (FDR) compatible with Arduino. The developed equipment will improve the infiltration measurement to obtain it in a direct, fast, and economical way. For this, a soil composed of 70% of medium sand and 30% of silty soil of the Guabirotuba Formation, both dry, where the fines were excluded to avoid expansion, was developed. Granulometry test, real grain density (Gs), Atterberg limits, X-ray Fluorescence Spectrometry (FRX), X-ray Diffractometry (DRX), Scanning Electron Microscopy (MEV), and Proctor compaction at standard, intermediate, and modified energy for the materials were carried out. The infiltration tests were performed in three replicates for each humidity point of the Proctor curve with the sandy-silty soil at the modified energy. The cylinders used for molding the samples were made of acrylic, thereby allowing the visualization of the wetting front. The infiltration inside the sample was determined by equipment composed of a microcontroller (Arduino), an internet connection device (ESP 8266), and temperature (thermocouple) and humidity (FDR) sensors embedded in a fiberglass board. With the equipment data, the infiltration per time curves were drawn for the sandy-silty soil created, and the infiltration rate of this soil at different molding moistures was fitted to mathematical equations. From the results, it is possible to highlight that the time for water to infiltrate in the driest soil was approximately twice as short as in the wettest soil, taking 7.1 minutes and 14.1 minutes, respectively. However, after a certain humidity where the soil was very wet, its ability to retain water was compromised, causing the infiltration to become faster. This behavior can be observed in the samples molded with 13.8% and 10.3% of initial moisture. The wetter samples had a higher infiltration rate (81.16 mm.h-1) than the samples with 10.3% (71.31 mm.h-1). The empirical equations developed to determine the infiltration rate were all powers with the base as the time it took to the water to infiltrate. When comparing them with the other empirical methods for determining the infiltration rate already consolidated in the literature (Kostiakov, Kostiakov-Lewis and Horton), the Horton model was the one that best fitted the tests performed. Finally, the equipment was validated through the capacitance sensor (FDR) and visual tests of the wetting front.
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