15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental
CONTRIBUIÇÃO PARA A CONSTRUÇÃO DE UM MODELO
GEOMECÂNICO PARA ANÁLISE DE RISCO DO RELEVO CARSTE DO
MUNICÍPIO DE LAPÃO – BAHIA
Paulo Gustavo Cavalcante Lins 1; Roberto Bastos Guimarães 2; Arthur de Almeida Barreto Silva 3;
Lélia Santiago Custódio da Silva 4
Resumo – Evidências de movimentos e rachaduras foram verificadas no município de Lapão (Ba)
em 2008 e 2012. A região é caracterizada com terrenos cársticos, sendo que as dolinas se destacam como formações geológicas mais proeminentes. Nesse contexto, mapeamentos de risco foram desenvolvidos através de estudos geológicos e geofísicos. Este artigo apresenta uma abordagem geomecânica para compreensão dos movimentos dos terrenos da cidade. Um modelo para a análise de estabilidade de cavidades em meios cársticos baseado em uma analogia com o problema de estabilidade de frente de túneis é discutido. Uma classificação geomecânica para a região da fonte do Lapão permitiu a estimativa de parâmetros de resistência para o maciço rochoso. Modelos de elementos finitos foram elaborados considerando a geometria das aberturas subterrâneas previstas pelos estudos geofísicos. Os resultados dos modelos indicam a necessidade de estudos mais detalhados. Por fim são apresentadas hipóteses para o conjunto dos movimentos observados.
Abstract – Evidence of movement and cracks were found in the city of Lapão (Ba) in 2008 and
2012. The region is characterized by karst terrains, and the sinkholes stand out as the most prominent geological formations. In this context, risk maps were developed through geological and geophysical studies. This article presents a geomechanical approach to understanding the movements in the city terrains. A model for cavities stability analysis in karst media based on an analogy with the problem of tunnel face stability is discussed. A geomechanical classification for the Lapão spring region allowed the estimation of strength parameters for the rock mass. Finite element models were developed considering the geometry of underground openings provided by geophysics studies. Model results indicate the need for more detailed studies. Finally hypotheses are presented for all movements observed.
Palavras-Chave – Colapso cárstico; dolinas; estabilidade de cavidades.
1
Prof., Eng., Dr, Universidade Federal da Bahia, (71) 3283-9847, plins@ufba.br 2
Prof., Eng., Dr, Universidade Federal da Bahia, (71) 3283-9844, rbg@ufba.br 3
1. INTRODUÇÃO
O município de Lapão está localizado na região oeste do Estado da bahia, a 486 km de Salvador. A cidade encontra-se em um substrato de rochas carbonáticas neoproterozóicas do Grupo Una, no centro do Cráton São Francisco na Bahia.
No ano de 2008 ocorreram movimentos no terreno na região central da cidade, em bairros e terrenos agrícolas ao sul da cidade. Em 2012, novos movimentos incluindo rachaduras e trincas foram registrados. Diversos estudos foram realizados por conta destes movimentos. O presente trabalho apresenta dois mapas de risco elaborados para compreender esses fenômenos. Trabalhos de campo foram realizados para caracterizar o maciço na região central da cidade. Parâmetros geotécnicos foram estimados para o maciço e utilizados em modelos para avaliar a condição de estabilidade das possíveis aberturas subterrâneas. Hipóteses sobre os mecanismos de movimentação são formuladas.
2. FORMAÇÃO DAS DOLINAS NO CARSTE
No Brasil, os calcários e dolomitos são os principais representantes das rochas carbonáticas formadoras de relevos cársticos. A gênese desse processo ocorre pela ação do intemperismo químico promovido pelo ácido carbônico sobre as rochas carbonáticas que formam diferentes estruturas cársticas, entre elas as dolinas. Caracterizadas por depressões, as dolinas podem se constituir, em geral, pela dissolução ou abatimento do terreno através da infiltração de água pelas zonas de fraqueza do substrato rochoso de calcário. Essas feições costumam apresentar um formato circular ou elíptico e diâmetros que variam de 1 m até 1 km com uma profundidade de até 500 m. De acordo com Waltham e Fookes (2003), as dolinas podem se apresentar de seis formas diferentes, conforme evidenciado pela Figura 1. A classificação apresentada por esses autores engloba dolinas de dissolução, de colapso, em camadas, de evasão, de preenchimento e enterradas. Sorochan et al. (1997) propõem modelos conceituais de aparecimento de movimentos no carste e nos solos sobrejacentes, que podem ser observados na Tabela 1.
Figura 1. A classificação das dolinas no que se refere aos mecanismos de ruptura do terreno e da natureza do material (WALTHAM e FOOKES, 2003).
Tabela 1. Modelos conceituais de ruptura no carste e nos solos sobrejacentes (SOROCHAN et al., 1997). Tipos de ruptura cárstica Estágio do desenvolvimento da ruptura Fatores de ruptura e natureza de suas
mudanças
Prévio Inicial Subseqüente Final
Erosão de solos não coesivos Por rebaixamento do nível de água Declínio do potencial da água no carste ou aumento do potencial da água sobre o carste
Por elevação do nível de água Aumento do potencial da água no carste ou declínio do potencial da água sobre o carste
Colapso De areias na elevação do nível de água Desenvolvimento espontâneo com o tempo De qualquer tipo de solo incluindo areias com o rebaixamento do nível de água
Crescimento das zonas desestabilizadas em solos e rochas
Formação de dolina
Em solos
coesivos Desenvolvimento espontâneo com o
tempo
Em solos não
coesivos Crescimento da subsidência observada
As dolinas de dissolução (dissolution sinkholes) se desenvolvem através das interações existentes entre o ácido carbônico e o carbonato de cálcio das rochas. Quando em contato, o ácido promove a dissolução lenta e gradual do relevo cárstico produzindo vales arredondados de diversos tamanhos com a presença de um pequeno colapso central. O processo ocorre ao longo do tempo geológico e é responsável pela formação de grandes formas de relevo (WALTHAM e FOOKES, 2003).
As dolinas de colapso (collapse sinkhole) são formadas quando as águas subterrâneas percolam em grande quantidade na região dissolvendo as rochas adjacentes e promovendo o aparecimento de grandes cavernas. O colapso ocorre quando o nível do lençol freático diminui fazendo com que o teto da caverna não consiga suportar seu próprio peso causando desse modo um processo de subsidência (WALTHAM e FOOKES, 2003).
As dolinas em camadas (caprock sinkhole) ocorrem de maneira similar as dolinas de colapso, entretanto, há uma capa rochosa insolúvel que reveste o teto de calcário de uma caverna carbonática. Há registros de sua ocorrência em terrenos paleokarst ou cárstico, entre camadas e em cavernas com calcário enterrado e isso pode ser, portanto, uma característica do afloramento de uma rocha insolúvel. Elas tendem a se desenvolver rapidamente, em poucas horas, acarretando grandes danos (WALTHAM e FOOKES, 2003).
As dolinas de evasão (dropout sinkhole) ocorrem quando águas pluviais vão erodindo uma cobertura de solo coesivo e estável, que se tornam fissuras ou cavernas de rochas carbonáticas subjacentes. Nesse processo, há uma rápida subsidência da superfície quando o solo desmorona em um vazio, que foi lentamente ampliado pelo fluxo de água subterrânea (WALTHAM e FOOKES, 2003).
As dolinas de preenchimento (suffosion sinkhole) se formam quando a chuva carrega partículas de um solo não coesivo para dentro de fissuras ou cavernas existentes nas rochas carbonáticas subjacentes. Nesse caso, uma depressão com tamanho variado se forma na paisagem com um sumidouro central. De um modo geral, pode-se dizer que há um processo morfológico contínuo que acontece entre as dolinas de evasão e de preenchimento, que apresentam taxas variadas de crescimento, e que dependem do tipo de solo, que pode ser de argila à areia. Tal processo, ainda, pode ocorrer em um mesmo ambiente em regimes alternados de chuvas e fluxos fluviais (WALTHAM e FOOKES, 2003).
As dolinas enterradas (buried sinkhole) se constituem quando já existem antigas dissoluções ou colapsos de dolinas que foram preenchidas ao longo do tempo com detritos ou outros tipos de materiais. Com isso, o rebaixamento do terreno pode ocorrer pela compactação desse solo de preenchimento ou pela erosão promovida pelos lençóis freáticos (WALTHAM e FOOKES, 2003).
É necessário salientar que as dolinas de evasão e de preenchimento são mais conhecidas como dolinas de subsidência. Além disso, as estruturas, padrões e perfis de cavernas e dolinas tendem a ser mais complexos quando imersas em calcário, mesmos que os conceitos permaneçam os mesmos (WALTHAM e FOOKES, 2003).
3. MAPEAMENTO DE RISCO
Os eventos de rachaduras e trincas ocorridos em outubro de 2008 levaram a uma visita de pesquisadores do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo ao município de Lapão. O trabalho realizado pela equipe está relatado em IPT (2008) e AZEVEDO (2013). Um mapeamento das rachaduras foi realizado e um estudo das condições geológicas do local. Com o mapeamento das trincas e as observações geológicas foi elaborado um mapa de risco que é apresentado na Figura 2. No mapeamento foram identificados movimentos principais nas proximidades da fonte do Lapão, em ruas adjacentes a fonte, em uma área agrícola ao sul da fonte do Lapão e no bairro Ida Cardoso. Sendo que o movimento na área agrícola e no bairro Ido Cardoso aparenta ser um processo único.
Após o mapeamento inicial, estudos geofísicos de gravimetria e eletrorresistividade foram desenvolvidos por profissionais da Universidade Federal da Bahia e Companhia Baiana de Pesquisa Mineral. Esses trabalhos de geofísica, que são descritos no trabalho de Santos et al. (2012), permitiram a elaboração de um novo mapa de risco que está apresentado na Figura 3. Neste segundo mapa de risco são identificadas cinco áreas de risco. Uma coerência entre os mapas de risco da Figura 2 e Figura 3 pode ser observada.
É necessária uma atenção na interpretação da gravimetria, pois apresenta uma idéia de possíveis dimensões de cavernas em subsuperfície. Considerando as limitações do método, Santos et al. (2012) estimaram as características das três cavernas da zona central:
• Fonte Oeste: profundidade do topo de 4 m, profundidade da base de 10 m, dimensões W-E de 35 m e N-S de 40 m. Coordenadas da borda sudoeste (W-E 190700, N 8740135);
• Fonte Central: profundidade do topo de 4 m, profundidade da base de 10 m, dimensões W-E de 55 m e N-S de 15 m. Coordenadas da borda sudoeste (E 190740, N 8740120); • Fonte Leste: profundidade do topo de 6 m, profundidade da base de 12 m, dimensões
W-E de 30 m e N-S de 15 m. Coordenadas da borda sudoeste (W-E 190860, N 8740170).
Figura 2. Delimitação da área de risco na região central da cidade de Lapão (AZEVEDO, 2013). De uma maneira semelhante à interpretação da área central da cidade, Santos et al. (2012) estimaram as principais características correspondentes das cavernas subterrâneas do subúrbio.
• Subúrbio Sudoeste: profundidade do topo de 0,5 m na parte mais rasa e 3 m na parte mais profunda, profundidade da base de 25 m, dimensões E-W de 40 m e N-S de 40 m na menor dimensão e de 170 m na maior dimensão. Coordenadas da borda sudoeste (E 190860, N 8739630);
• Subúrbio Central: profundidade do topo de 2 m, profundidade da base de 12 m, dimensões E-W de 40 m e N-S de 50 m. Coordenadas da borda sudoeste (E 191130, N 8739930); • Subúrbio Noroeste: profundidade do topo de 3 m, profundidade da base de 15 m,
Figura 3. Localização de áreas de risco reconhecidas em Lapão. A fonte do Lapão é a área verde mais a oeste na área de risco 1 (SANTOS et al., 2012).
4. ANALOGIA COM ESTABILIDADE DE FRENTE DE TÚNEIS
A avaliação da condição de estabilidade de frente de um túnel tem no trabalho de Broms e Bennermark (1967) uma referência importante. Para esses autores, a estabilidade de um túnel em deformação plana é quantificada por meio de um número de estabilidade N, que é expresso em termos da diferença da tensão total do terreno acima da cavidade (compreendendo a sobrecarga superficial e a tensão in situ) e a pressão interna do túnel dividida pela resistência ao cisalhamento não drenada cu. Pelo critério de Broms e Bennermark (1967), os valores de N acima
de 6 indicam que a frente de escavação do túnel é instável.
Para estudar a condição de estabilidade de cavidades cilíndricas Drumm, et al. (2009) desenvolveram modelos axissimétricos de elementos finitos. Através de análises utilizando a técnica de redução da resistência os autores conseguiram definir limites de estabilidade para a cavidade em função da relação cobertura com o diâmetro da cavidade (h/D), conforme pode ser observado na Figura 4. Sendo assim, o número de estabilidade é definido da seguinte forma:
c h
NCφ =
γ
× (1)Onde: γ = peso específico do solo, h = espessura de solo acima da cavidade de raio D/2, e c = coesão do terreno.
Figura 4. Ábaco de estabilidade de DRUMM et al. (2009). 5. CARACTERIZAÇÃO DA RESISTÊNCIA DO MACIÇO
Um levantamento geotécnico foi realizado na fonte do Lapão e foram identificados dados para classificação segundo o Sistema Q (BARTON et al., 1974; BARTON, 2002). A condição média para o maciço é descrita por:
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
2,5 1,7 5 , 0 2 5 , 1 9 100 . 6 . 5 . 4 . 3 . 2 . 1 = = = = H C C E F E SRF Jw Ja Jr Jn RQD Q (2)Uma amostra da rocha foi levada para o Laboratório de Materiais da Escola Politécnica da UFBA em Salvador para a realização de ensaios. O peso específico foi determinado como γ = 26,1 kN/m3. A resistência a compressão simples encontrada foi σ
c = 24,9 MPa. A amostra foi
identificada como um calcário calcítico.
Barton (2002) apresenta relações para permitir estimar os parâmetros de Mohr-Coulomb a partir dos componentes do Sistema Q e da resistência a compressão simples da rocha. Utilizando-se as equações propostas por Barton (2002) foram encontrados os seguintes resultados:
° = ⋅ = ⋅ = 0,5 20,6 2 5 , 1 arctan arctan Jw Ja Jr
φ
(3) MPa 11 , 1 100 9 , 24 5 , 2 1 9 100 100 1 = = = c SRF Jn RQD cσ
(4)6. ESTIMATIVA DA ESTABILIDADE DAS ABERTURAS
Para avaliar a condição de estabilidade das aberturas estimadas por Santos et al. (2012) foram elaborados modelos de elementos finitos para as três cavernas da zona central (fonte do Lapão) e para as três cavernas do subúrbio (área agrícola e bairro Ida Cardoso) utilizando o programa Plaxis (BRINKGREVE et al., 2008). Todos os modelos indicaram uma instabilidade do maciço para os parâmetros geotécnicos determinados nas equações (3) e (4). O que implica que para cavernas com aquelas dimensões o maciço já teria colapsado. Estas simulações confirmam as análises iniciais realizadas por Oliveira (2013). A Figura 5 mostra a região plastificada para o modelo para a área fonte oeste. A Figura 6 mostra a região plastificada para o modelo para a área subúrbio noroeste.
Figura 6. Região plastificada no modelo de elementos finitos para área subúrbio noroeste. 7. HIPÓTESES PARA OS MOVIMENTOS EM LAPÃO
No movimento ocorrido em 2008 na região central da cidade próximo a fonte do Lapão verificou-se rachaduras em uma quadra esportiva. A quadra foi posteriormente demolida. Em visita a campo em 2015 observa-se que o movimento nesta região foi predominantemente vertical. A população do local relata que a região foi aterrada, possivelmente sem compactação. Relatos apontam a queda posterior de um bloco na fonte do Lapão.
Na região da fonte, na Rua Sócrates Meneses, ocorreram movimentos em 2008 e em 2012. Os relatos indicam que os movimentos de 2012 foram maiores. Na visita de campo em 2015 observa-se que as rachaduras nas edificações indicam movimentos predominantemente horizontais. Nesta região existem indicativos de sumidouros.
Na região agrícola ao sul da cidade e o bairro Ida Cardoso registrou-se um movimento em 2008, que aparenta um mecanismo principal único, sendo que as rachaduras nesta região são maiores e indicam padrões de movimento horizontal e vertical. Deve-se destacar que nesta região existe um poço que até a década de 1980 fornecia água para os municípios de Lapão e Irecê, ou seja, tinha uma vazão bastante elevada. Existem relatos de poços nesta área com vazões mais modestas. Nesta região, também existem indicativos de sumidouros.
A população relata que o aparecimento de rachaduras no terreno é comum na região. As histórias das rachaduras não são recentes e são tratadas como um evento comum na região.
Uma hipótese é que ocorreu um colapso subterrâneo abaixo da região agrícola ao sul da cidade e o bairro Ida Cardoso. Isto gerou um início de dolina na região. Este movimento principal gerou movimentações radiais percebidas na fonte do Lapão. As fraturas se abriram em subsuperfície na região da fonte do Lapão permitindo que material não consolidado entrasse nas fraturas, gerando movimentos que foram percebidos na superfície.
8. CONCLUSÕES
Os movimentos do terreno no município de Lapão estão sendo estudados com informações de geologia e geofísica. Este trabalho apresenta uma abordagem da geomecânica para o problema. Modelos de elementos finitos foram elaborados para estudar a estabilidade das cavidades com a geometria prevista pelo levantamento geofísico. A análise indica uma instabilidade global do maciço, o que reforça a necessidade de uma caracterização geométrica do maciço mais próxima da realidade. Hoje o modelo da geofísica e da geomecânica apresentam resultados conflitantes.
A compilação das informações permitiu a formulação da hipótese de que ocorreu um movimento de formação de uma dolina na região agrícola ao sul da cidade e que movimentos secundários e radiais ocorreram. Estas hipóteses devem ser mais bem estudadas para possibilitar uma melhor compreensão do risco ao qual a população de Lapão está sujeita.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao MEC que apóia o desenvolvimento do trabalho através do edital ProExt-MEC 2015.
REFERÊNCIAS
AZEVEDO, A.A. (2013) Análise de risco em áreas urbanas edificadas sobre maciços carbonáticos carstificados o caso do município de Lapão, Ba. In 14º Congresso Brasileiro de Geologia de
Engenharia e Ambiental, Rio de Janeiro.
BARTON, N. (2002) Some new Q-value correlations to assist in site characterization and tunnel design. In International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, n.39, p.185-216.
BARTON, N.R., LIEN, R. & LUNDE, J. (1974) Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support. In Rock Mechanics, v.6, n.4, p.189-239.
BRINKGREVE, R.B.J. et al. (2008) Plaxis 2D - Version 9.0. Delft, Netherlands. <www.plaxis.nl>. BROMS, B. B., e BENNERMARK, C. M. (1967). Stability of clay in vertical openings. In J. Soil
Mech. and Found. Div., Vol.93, No.1, p.71–94.
DRUMM, E. C.; AKTÜRK, Ö.; AKGÜN, H. & TUTLUOĞLU, L. (2009) Stability Charts for the Collapse of Residual Soil in Karst. In Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 135, No. 7, p.925-931.
IPT (2008) Análise das causas das trincas e rachaduras na superfície do terreno e em edificações
na área urbana do município de Lapão, BA. Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de
São Paulo. Relatório técnico IPT no. 107 507-205.
OLIVEIRA, G.S. (2013) Estabilidade de Cavidades em Meios Cársticos. Trabalho de Conclusão de Curso. (Graduação em Engenharia Civil) - Universidade Federal da Bahia. 51p.
SANTOS, E.S.M.; SILVA, R.W.S. & SAMPAIO, E.E.S. (2012) Analysis of the risk of karst collapse in Lapão, Bahia, Brazil. In Exploration Geophysics, v.43, p.198-212.
SOROCHAN, E.A.; KHOMENKO, V.P.; TOLMACHYOV, V.V. & TROITZKY, G.M. (1997) Karst failure: Model test and conceptual models. In 14th International Conference on Soil Mechanics and
Foundation Engineering, Hamburg, Vol. 3, p.977-981.
WALTHAM, A.C. e FOOKES, P.G. (2003) Engineering classification of karst ground conditions. In
