UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA LUCIANI DEUCHER
ROSELI KARINE KUNZEL
ANÁLISE DE ESTABILIDADE DE TALUDE - OBRA DA TERCEIRA FAIXA DA VIA EXPRESSA DE FLORIANÓPOLIS
Palhoça 2019
LUCIANI DEUCHER ROSELI KARINE KUNZEL
ANÁLISE DE ESTABILIDADE DE TALUDE - OBRA DA TERCEIRA FAIXA DA VIA EXPRESSA DE FLORIANÓPOLIS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel.
Orientadora: Professora Fernanda Soares de Souza Oliveira, MSc.
Palhoça 2019
Dedicamos este trabalho a nossa família e amigos por todo carinho, empenho e companheirismo em todo o processo, sem eles certamente seria muito mais difícil chegar ao final desta etapa.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus que conduziu cada passo da minha vida. Até o que pareceu dar errado foi necessário para que estivesse hoje finalizando mais uma etapa importante da minha história.
A orientadora, professora e mestre, Fernanda Soares de Souza Oliveira por toda atenção e carinho dedicados, porque, embora não nos tenha acompanhado desde o início, se fez presente em cada dúvida esclarecendo-as nos horários mais improváveis.
Ao professor e mestre César Schmidt Godói, por ter despertado em nós o interesse pelo tema e auxiliar a primeira etapa deste processo. Por toda a atenção e dedicação despendidas para a escolha do tema e desenvolvimento do mesmo.
Ao professor Paulo Wagner por ter aceito o convite, fazendo parte da banca examinadora, contribuindo com nosso aprendizado.
A Universidade do Sul de Santa Catarina e aos funcionários do laboratório de engenharia civil (LEC) por oferecer a estrutura necessária para realização dos ensaios de laboratório e dispor de seus funcionários para elaboração e desenvolvimento dos mesmos.
A minha parceira e amiga Luciani Deucher por todo o apoio e compreensão durante este período que não foi o mais suave desta jornada e por segurar minha mão sempre que achei que iria cair.
A minha filha e maior companhia, Julia, que mesmo sem entender a proporção, foi e sempre será o maior motivo para todas as coisas. Sem ela eu jamais assistiria Peppa durante uma aula de pontes.
A minha mãe Iria Kunzel por não me deixar desistir dando o apoio necessário quando já estava cansada de andar, e meu pai Hugo Bruno Kunzel (in memoriam) que mesmo não estando presente ao final desta caminhada, sempre sonhou e acreditou no meu sucesso e com muito orgulho anunciou, antes mesmo do título, que sua filha era engenheira civil.
Ao meu irmão Walter Luiz Kunzel por ser minha referência profissional. A minha tia Marlene Eisen, por dar toda atenção e suporte que precisei em momentos que não achei que fosse possível continuar.
As amigas que estiveram presentes nos momentos mais difíceis.
AGRADECIMENTOS
A Deus por ter me dado força para superar as dificuldades e seguir e frente. A nossa querida orientadora, professora e mestre, Fernanda Soares de Souza Oliveira pelo tempo e carinho disponibilizados, pelas excelentes sugestões técnicas e orientações.
Ao professor e mestre César Schmidt Godói, por ter nos auxiliado na escolha e desenvolvimento da primeira etapa deste percurso.
Ao professor Paulo Wagner por ter aceitado nosso convite de participar da banca examinadora, contribuindo com nosso aprendizado.
Ao engenheiro André Fernando Coelho por quem eu tenho muito respeito e admiração, uma vez que contribuiu significativamente com minha evolução profissional. Acabou por tornar-se uma referência de profissional ético e que ama sua profissão.
A empresa Vogelsanger, ao laboratorista Carlos de Quadros e aos seus auxiliares, por disponibilizarem o laboratório para realização dos ensaios e por todo apoio, dedicação e orientação.
A minha colega Roseli Karine Kunzel, por todo apoio e parceria durante essa difícil jornada.
A meu marido Rene Antonio Ferreira, por ser meu alicerce, meu parceiro, meu incentivador, durante todos esses anos. Mesmo discordando da minha escolha profissional, respeitou minha decisão e me apoiou de forma incondicional, durante essa longa tragetória.
Ao meu filho Gabriel de Fraga, pela compreensão da ausência da mãe em casa, pois inúmeras vezes precisava de um colo, porém a mãe tinha apenas “5” minutos, pois precisava estudar para aquela tão temida prova. Além disso, foi meu parceiro de estudo e meu grande incentivador.
A minha filha Valentina Deucher Bidarte, por ser minha companheira, pois sempre que a mamãe estava estudando ela ficava horas ao meu lado desenhando.
A minha cunhada Valéria Deucher Secati, por cuidar de nossos filhos e nossa casa na minha ausência.
Por fim aos meus pais, irmãos, amigos que direta ou indiretamente contribuíram para essa conquista tão importante.
“Talvez não tenha conseguido fazer o melhor, mas lutei para que o melhor fosse feito. Não sou o que deveria ser, mas Graças a Deus, não sou o que era antes”. (Marthin Luther King)
RESUMO
O conteúdo do trabalho aborda e estuda a estabilidade de um talude localizado as margens da via expressa no município de Florianópolis/SC. Durante o processo foi coletado amostras deformadas e indeformadas do talude para realização dos ensaios de granulometria com ensaio de densidade, limite de liquidez e limite de plasticidade. A caracterização mecânica obtida através do ensaio de cisalhamento direto nos permitiu conhecer os parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo, sendo eles o ângulo de atrito e a coesão. Para a verificação da estabilidade de um talude, fora utilizado o programa GeoSlope -versão 2016, onde foram aplicados os parâmetros de coesão e ângulo atrito, a fim de obter o fator de segurança e probabilidade de ruptura de acordo com os critérios encontrados na NBR11682. Tais dados foram aplicados em diferentes níveis do lençol freático, uma vez que, está diretamente relacionado à estabilidade do talude.
ABSTRACT
This paper addresses and studies the stability of a slope located along the expressway in Florianópolis/SC. Throughout the process, deformed and undeformed slope samples were collected for the granulometry, density, liquidity limit and plasticity limit tests. The mechanical characterization obtained through the direct shear test made it possible to know the soil shear strenght parameters, which are the friction angle and the cohesion. To verify the stability of the slope, the 2016 version of GeoSlope was used. The cohesion and friction angle parameters discovered in the tests were applied to the program, so that the safety factor and probability of rupture could be discovered and to check if they were in accordance with the criteria found in NBR11682. Those numbers were applied in different levels of the water table, since this is directly related to the slope’s stability.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Formação do Solo ... 20
Figura 2 - Perfil Típico de Encosta ... 20
Figura 3 - Solo Residual ... 21
Figura 4 - Solos Residuais e Sedimentares ... 22
Figura 5 - Solo Sedimentar... 23
Figura 6 - Perfil do Solo ... 24
Figura 7 - Tipos de Latossolo ... 25
Figura 8 - Areia Quartzosa ... 27
Figura 9 - Solo Litólico ... 28
Figura 10 - Afloramento de rochas ... 28
Figura 11 - Zona fraca, zona cisalhada e superfície de cisalhamento. ... 29
Figura 12 - Fenômeno Voçorocas ... 31
Figura 13 - Classificação dos movimentos de massa – subsidência ... 32
Figura 14 - Principais Movimentos. a) queda; b) tombamento; c) deslizamento rotacional; d) deslizamento translacional; e) escoamento; f) fluxo ou corrida. ... 32
Figura 15 - Elementos geométricos de um talude ... 34
Figura 16 - Fatia genérica com as forças atuantes no sistema (Método de Bishop) . 39 Figura 17 - Tensões Resistentes e atuantes no maciço ... 42
Figura 18 - Drenagem superficial – posição das canaletas e bermas ... 45
Figura 19 - Reforço de talude com uso de geogrelha ... 48
Figura 20 - Proposta para estabilização de talude. ... 49
Figura 21 - Detalhe de fixação do grampo em solo grampeado ... 50
Figura 22 - Componentes do tirante ... 51
Figura 23 - Diferença entre Solo grampeado e Cortina atirantada ... 52
Figura 24 - Construção de um muro de Gabião na localidade de Campo Novo - SC52 Figura 25 - Crib wall - contenção de muro em fogueira ... 53
Figura 26 - Crib wall - Contenção de muro em fogueira ... 54
Figura 27 - Cisalhamento Direto ... 61
Figura 28 - Coleta de amostra indeformada ... 61
Figura 29 - Moldagem do corpo de prova ... 62
Figura 30 - Pedra porosa ... 62
Figura 32 - Ensaios Triaxiais – Detalhes do Equipamento ... 65
Figura 33 - Localização do município em relação ao país. ... 73
Figura 34 - Localização do município em relação ao Estado ... 73
Figura 35 - Localização do talude - vista frontal ... 74
Figura 36 - Localização do talude – vista superior ... 75
Figura 37 - Perfil estratigráfico do talude ... 75
Figura 38 - Seção transversal do talude ... 76
Figura 39 - Coleta de amostra deformada ... 77
Figura 40 - Coleta de amostra indeformada ... 78
Figura 41 - Etapas da preparação de amostras ... 79
Figura 42 – Etapas do peneiramento ... 80
Figura 43 - Etapas do ensaio de sedimentação ... 81
Figura 44 – Etapas do ensaio de Densidade Real dos Grãos ... 82
Figura 45 - Etapas do ensaio de Limite de Liquidez ... 83
Figura 46 - Etapas do ensaio de Limite de Plasticidade ... 84
Figura 47 - Etapas do ensaio de Cisalhamento Direto ... 85
Figura 48 - Etapas do ensaio de Cisalhamento Direto ... 86
Figura 49 - Perfil do terreno NA (0m) ... 92
Figura 50 - Perfil do terreno - NA (-2,22m) ... 93
Figura 51 - Perfil do terreno - NA (-4,01m) ... 94
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Resultados obtidos ... 63
Gráfico 2 - Círculo de Mohr para ensaios Drenados e Não Drenados ... 65
Gráfico 3 - Gráfico de ensaio Triaxial-UU ... 66
Gráfico 4 - Gráfico tensão deformação ... 68
Gráfico 5 - Envoltória de Mohr Coulomb ... 68
Gráfico 6 - Trajetória das tensões ... 68
Gráfico 7 - Gráfico Tensão Deformação: Ensaio Adensado-Drenado ... 70
Gráfico 8 - Envoltória Mohr Coulomb ... 70
Gráfico 9 - Trajetória das Tensões ... 70
Gráfico 10 - Resultado do Peneiramento ... 88
Gráfico 11 - Limite de Liquidez - Umidade x Número de golpes ... 89
Gráfico 12 - Influência do nível de água na estabilidade ... 94
Gráfico 13 - Limite de Liquidez - Umidade x Número de golpes ... 102
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Escala de velocidade de movimentos gravitacionais de massa ... 33
Tabela 2 - Fatores causadores de movimento de massa ... 34
Tabela 3 - Tipos de obra de estabilização de encostas ... 35
Tabela 4 - Condições de equilíbrio estático e superfície de ruptura ... 40
Tabela 5 - Fator de segurança e condições de estabilidade ... 41
Tabela 6 - Grau de segurança esperado: Vidas Humanas ... 43
Tabela 7 - Grau de segurança esperado: Perdas materiais e ambientais ... 43
Tabela 8 - Fatores de Segurança ... 44
Tabela 9: Razão entre a densidade relativa da água á temperatura (t) e a densidade relativa da água a 20 ºC ... 58
Tabela 10 - Resultado do ensaio da análise granulométrica ... 87
Tabela 11 - Resultado dos ensaios de limite de plasticidade e limite de liquidez... 88
Tabela 12 - Ensaio de sedimentação ... 89
Tabela 13 - Ensaio de Cisalhamento ... 90
Tabela 14 - Classificação Rodoviária - HRB - AASHTO ... 96
Tabela 15 - Ensaio de caracterização física e classificação dos solos ... 100
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 16 1.1 TEMA ... 17 1.2 OBJETIVOS ... 17 1.2.1 Objetivo Geral ... 17 1.2.2 Objetivo Específico ... 17
1.3 PROBLEMA A SER RESOLVIDO ... 17
1.4 JUSTIFICATIVA... 18
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 19
2.1 FORMAÇÃO DOS SOLOS ... 19
2.1.1 Classificação dos solos segundo sua formação... 20
2.1.1.1 Solos Residuais ... 21
2.1.1.2 Solos Sedimentares ... 22
2.1.1.3 Solos Orgânicos ... 23
2.1.2 Classificação pedológica dos solos ... 23
2.1.2.1 Latossolos ... 24 2.1.2.2 Cambissolo ... 25 2.1.2.3 Solos Podzólicos ... 26 2.1.2.4 Areia Quartzosa ... 26 2.1.2.5 Solo Glei ... 27 2.1.2.6 Solo Litólico ... 27
2.2 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS ... 29
2.3 MOVIMENTOS DE MASSA GRAVITACIONAIS ... 30
2.3.1 Classificação dos Movimentos de Massa Gravitacionais ... 30
2.3.2 Fatores Causadores dos Movimentos de Massa Gravitacionais ... 33
2.4 ESTABILIZAÇÃO DE TALUDES ... 34
2.4.1 Análise Determinística ... 37
2.4.1.1 Análise de Tensões Atuantes ... 37
2.4.1.2 Equilíbrio Limite ... 38
2.4.2 Fator de Segurança ... 41
2.4.3 Análise Probabilística ... 44
2.4.4 Drenagem ... 44
2.4.5.1 Estabilização Química ... 46 2.4.5.2 Geossintéticos ... 47 2.4.5.3 Retaludamento ... 48 2.4.5.4 Solo Grampeado ... 49 2.4.5.5 Tirantes ... 51 2.4.5.6 Muro de Gabião ... 52 2.4.5.7 Crib Wall ... 53
2.5 ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO FÍSICA ... 54
2.5.1 Preparação da amostra ... 54
2.5.2 Determinação da distribuição granulométrica ... 55
2.5.2.1 Ensaio de sedimentação... 56
2.5.3 Determinação da densidade real ... 57
2.5.4 Ensaio de determinação do limite de liquidez ... 59
2.5.5 Ensaio de determinação do limite de plasticidade... 60
2.6 ENSAIOS CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA PARA DETERMINAR A RESISTÊNCIA DE SOLOS ... 60
2.6.1 Ensaio ao cisalhamento direto ... 60
2.6.2 Ensaio Triaxial ... 64
2.6.2.1 Ensaio Triaxial UU – Não-Adensado Não-Drenado ... 66
2.6.2.2 Ensaio Triaxial CU – Adensado Não-Drenado ... 67
2.6.2.3 Ensaio Triaxial CD – Adensado-drenado ... 69
3 METODOLOGIA ... 71
4 ÁREA DE ESTUDOS ... 73
4.1 CARACTERÍSTICAS DA REGIÃO ANALISADA ... 74
4.1.1 Definição do talude a ser analisado ... 74
4.1.2 Perfil estratigráfico ... 75
5 ENSAIOS REALIZOS ... 77
5.1 COLETA DE AMOSTRAS DEFORMADAS E INDEFORMADAS ... 77
5.1.1 Coleta de amostra deformada ... 77
5.1.2 Coleta de amostra indeformada ... 78
5.2 ENSAIOS DE CARATERIZAÇÃO FÍSICA ... 79
5.2.1 Preparação da amostra deformada ... 79
5.2.2 Análise granulométrica com sedimentação ... 80
5.2.4 Ensaio de determinação do limite de liquidez ... 83
5.2.5 Ensaio de determinação do limite de plasticidade... 84
5.3 ENSAIO DE CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA ... 85
5.3.1 Ensaio de cisalhamento direto ... 85
5.3.2 Resultados dos ensaios ... 87
6 ANÁLISE DE ESTABILIDADE ... 91
6.1 FATOR DE SEGURANÇA ADMISSÍVEL ... 91
6.2 PARÂMETROS UTILIZADOS ... 91
6.2.1 Altura do lençol freático ... 92
6.2.2 Drenagem existente ... 95 6.2.3 Tipo de solo ... 95 6.2.4 Geometria do talude ... 96 6.3 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 96 7 CONCLUSÃO ... 98 8 ANEXOS ... 100
1 INTRODUÇÃO
Talude pode ser definido como uma superfície inclinada que delimita um maciço terroso ou rochoso. Pode ser resultado de uma escavação ou de origem natural e sua principal função é garantir a estabilidade do local.
Diversos desastres estão relacionados às rupturas e deslizamentos de taludes. Tais fatos ocorrem constantemente, com intensidade variada e gerando enormes perdas, tornando a instabilidade de taludes um dos principais problemas da engenharia geotécnica. Desta forma o estudo e cálculo de estabilidade de taludes é de extrema importância.
Segundo Vargas (1978), o cálculo de estabilidade de taludes, consiste na definição do ângulo do talude sob a qual, em condições adversas o mesmo permanece em equilíbrio plástico. Para que o talude seja ponderado como estável, o ângulo real deve ser menor que o ângulo do talude de equilíbrio calculado.
Caso o talude seja considerado instável, existem diversas técnicas para restabelecer a segurança do mesmo. A mudança de geometria é uma solução que costuma ser bastante eficaz e com menor custo. Essa remodelagem de configuração pode ocorrer, através da redução da altura ou ângulo do maciço. Outras técnicas bastante usuais são as drenagens de águas subterrânea e obras de contenção ou estabilização.
Como objetivo para este trabalho, levando em consideração o conteúdo discutido, propõe-se analisar um talude localizado na via expressa no município de Florianópolis/SC, por métodos determinísticos em relação a sua estabilidade, considerando as interferências inerentes à obra em questão.
1.1 TEMA
Análise de estabilidade de um talude localizado na obra da terceira faixa da Via Expressa, no município de Florianópolis/SC, utilizando o método de análise de estabilidade determinístico.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
Este trabalho tem como objetivo geral analisar a estabilidade de talude da obra da terceira faixa da Via Expressa de Florianópolis.
1.2.2 Objetivo Específico
• Estudar os conceitos referentes à estabilidade de taludes; • Reunir informações da obra de duplicação;
• Coletar dados do talude;
• Executar ensaios de caracterização física;
• Realizar ensaios de caracterização mecânica, e, • Realizar a análise de estabilidade do talude. 1.3 PROBLEMA A SER RESOLVIDO
Os taludes exercem um papel fundamental em relação a segurança de cortes em solos, pois inclinações irregulares, erosões, escorregamento por descontinuidade, escorregamento em aterro, dentre outros, podem afetar gravemente a estabilidade do local. Sendo assim os estudos dos processos de estabilização de taludes e suas formas de contenção tornam-se cada vez mais essenciais, devido as desastrosas consequências que os escorregamentos provocam.
Geralmente para análise de estabilidade dos taludes utiliza-se dos métodos de análise determinística ou probabilística. Os métodos probabilísticos, procuram identificar as incertezas e variações dos parâmetros, definindo a probabilidade de ruptura através da correlação de fatores, tais como, inclinação do talude, tipo de solo, condições de drenagem, dentre outros (OLIVEIRA e BRITO,1998).
As análises determinísticas por sua vez, são realizadas em função do fator ou coeficiente de segurança, definindo as condições de equilíbrio do solo no estado limite equilíbrio de forças, equilíbrio de momentos e resistência ao cisalhamento. Diversas tentativas de cálculos são realizadas, com a finalidade de ajustar os parâmetros de resistência (OLIVEIRA e BRITO,1998).
Esse tipo de análise é primordial para elaboração de mapas de risco potencial e risco de ruptura. E o fato de considerar de forma quantitativa essas incertezas geotécnicas, resultam numa melhora no processo de tomada de decisão.
Com base nos métodos determinísticos, esse estudo visa identificar se o talude em análise, apresenta estabilidade considerando as interferências locais.
1.4 JUSTIFICATIVA
Talude é a designação para qualquer superfície inclinada de um maciço terroso ou rochoso. Pode ser de origem natural ou construídos pelo homem, como por exemplo, aterros e cortes. Esses por sua vez são feitos com objetivo de regularizar terrenos com descontinuidade, como, por exemplo, a construção barreiras ou de estradas.
Desse modo a estabilidade deve ser calculada, analisada e os cortes executados de forma que seja garantida a segurança da obra e os riscos de deslizamentos ou ruptura sejam eliminados.
O rompimento de taludes ou movimento de massas são relativamente comuns e quando esse fenômeno acontece pode ser sinônimo de grandes catástrofes, podendo gerar desde perdas financeiras, obstruções de estradas a até a perda de vidas. Em vista disto é extremamente importante avaliar e estudar a estabilidade do talude.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo são apresentadas descrições sobre parâmetros necessários e ensaios laboratoriais necessários para análise de um talude de terra, os principais tipos de contenção existentes, condições e avaliação de estabilidade além de descrição do software utilizado. Tudo isto está presente de maneira a fundamentar este Trabalho de Conclusão de Curso (TCC).
2.1 FORMAÇÃO DOS SOLOS
Vargas (1978), citou em sua obra que a palavra solo em português significa meramente superfície do chão, entretanto na expressão mecânica dos solos o termo aufere um significado voltado para aplicação na engenharia civil. Caracterizando-se como um material de construção ou mineração, que são divididos segundo os engenheiros, em solos e rochas. Esses termos por sua vez, podem ser definidos ponderando-se o solo como um material da crosta terrestre que não oferece resistência a escavação mecânica e em contato prolongado com a água perde por completo sua resistência; e a rocha como sendo intransponível a esse mecanismo.
Lepsch (2013), indica que no ponto de vista pedológico o estudo do solo abrange o conceito total, ou seja, interessa-se tanto pela camada superficial, como procura entender como os demais horizontes se formam. Para o pedólogo, o solo é derivado da ação do clima e de organismos sobre um material de origem, cuja transformação é influenciada pelo tipo de relevo e ocorre em um determinado período de tempo.
Ainda de acordo com Lepsch, a formação do solo se inicia quando as rochas sofrem incontáveis processos de modificações físicas e químicas, formando um material semiconsolidado, que dará início a formação do mesmo. Esse fenômeno chamado intemperismo, ocorre porque a rocha da litosfera, expostas a atmosfera, começa a sofrer ação direta da umidade de chuva, do crescimento de organismos e do calor do sol, conforme mostrado na figura 1. A velocidade com que o intemperismo ocorre é influenciada pelos tipos de minerais que constituem a rocha.
Figura 1 - Formação do Solo
Fonte: Santos & Daibert, (2014).
2.1.1 Classificação dos solos segundo sua formação
Para Capaz (2014), na geotecnia cada camada de material é analisada individualmente em função de sua composição e propriedades geotécnicas que constituem os tipos de solos distintos para cada camada.
Em sua obra, Vargas (1978) afirma que todo solo tem sua origem na decomposição das rochas, pela dinâmica das intempéries e são classificados como solos residuais, solos transportados, solos orgânicos e solos evoluídos pedologicamente, conforme figura 02.
Figura 2 - Perfil Típico de Encosta
2.1.1.1 Solos Residuais
Solos residuais são os solos formados sobre a rocha, que através do intemperismo físico e químico, sofrem o processo de decomposição e permanecem no local de origem. Normalmente, os solos residuais são bastante homogêneos, possuem resistência elevada e menor permeabilidade, conforme demonstra figura 3 (SANTOS e DAIBERT, 2014).
Esse material de alteração ainda pode ser subdividido em três horizontes; solos residuais maduros, solos saprolíticos e blocos de materiais alterados. Essa classificação se dá em função da intensidade do ato de desagregação. O solo residual maduro é o solo em que não existe mais a estrutura original da rocha matriz e tornou-se parcialmente homogêneo (PINTO, 2006).
De acordo com Vargas (1978), quando as estruturas originais da rocha se mantêm, inclusive fissuras, veios intrusivos e xistosidades, mas a consistência foi integralmente perdida, considera-se solos saprolíticos, ou solos jovens (“rochas podres”).
Os blocos de materiais alterados por sua vez, referem-se ao horizonte de rocha alterada em que ação intempérica evoluiu ao longo das fraturas, ou zonas de menor resistência, deixando intacto grandes blocos da rocha original. Trata-se de um material de transição de solo para rocha (VARGAS,1978).
Figura 3 - Solo Residual
2.1.1.2 Solos Sedimentares
Segundo Maciel Filho, em 1997 e Pinto, em 2006, os solos sedimentares são as partículas carregadas para longe da rocha mãe, através de agentes transportadores, formando depósitos de sedimentos inconsistentes. Esse transporte por ocorrer por meio da gravidade, água ou vento. Quando o solo residual é transportado pela ação da gravidade, como nos escorregamentos, a distâncias moderadas, recebe o nome de solo coluvionar. Caso essa movimentação ocorra por meio da água das enxurradas ou rios, é chamado solo aluvionar. Sua formação depende da velocidade das águas no momento de aglomeração do material, podendo formar aluviões arenosos ou muito argilosos. Porém se a ação do vento for a responsável por esse deslocamento de material, é denominado como solo eólico. Esse solo possui suas partículas arredondadas, devido ao atrito constante provocado pelo transporte eólico. A figura 4 é um exemplo de solos transportados pela ação do vento (coluvionar) e solos residuais.
Figura 4 - Solos Residuais e coluvionar
Os solos sedimentares possuem consolidação e resistência inferior aos solos residuais e maior permeabilidade, conforme figura 5 (SANTOS e DAIBERT, 2014).
Figura 5 - Solo Sedimentar
Fonte: Santos & Daibert, (2014).
2.1.1.3 Solos Orgânicos
Nas obras de Vargas, em 1978 e Pinto, em 2006, os solos orgânicos são formados através dos solos sedimentares e contém uma considerável quantidade de matéria orgânica, resultante de decomposição de origem vegetal ou animal. Sua coloração escura e odor característico facilitam a identificação deste material. Além disto, por ser um solo normalmente adensado, demostram elevados índices de vazios, baixa capacidade de sustentação, alta compressibilidade e consequentemente baixa capacidade de carga.
2.1.2 Classificação pedológica dos solos
A Pedologia estuda as modificações da superfície dos depósitos geológicos, que ocasionam horizontes diferentes, sucedendo tanto em solos residuais como nos transportados. (PINTO, 2006).
Caputo (1996), define os horizontes como sendo as camadas que formam um perfil e nomeiam-se pelas letras A (camada superficial), B (Subsolo), C (camada profunda), conforme figura 06.
Nos horizontes A e B, é improvável que se identifique materiais da rocha de origem, apenas no horizonte C esse reconhecimento torna-se possível (MACIEL FILHO, 1997).
Figura 6 - Perfil do Solo
Fonte: Santos & Daibert, (2014).
De acordo com Maciel Filho (1997), o conjunto de solos são separados em zonais, intrazonais e azonais. Os zonais são os solos maduros, os intrazonais são solos jovens particularidades pedogenéticas pouco avançada, enquanto os solos também são considerados solos jovens, porém suas características pedogenéticas são bem desenvolvidas. Esses grupos são classificados em: latossolo, cambissolo, podzólico, areia quartzosa, solo orgânico, solo glei e litólico.
2.1.2.1 Latossolos
Os latossolos são solos que exibem um segmento de horizontes -A-B-C, sendo o horizonte B identificado geotecnicamente como solo maduro, muito espesso e com profundidade média entre oito á quinze metros e nunca inferior a cinquenta centímetros. O horizonte C por sua vez, é constituído pela decomposição de rochas e classificado geotecnicamente como sendo um solo residual jovem ou saprolítico, salvo, quando formado por colúvios. O horizonte A possui uma espessura sucinta, tornando-se insignificante geotecnicamente.
Os latossolos ocorrem em relevos suaves e possuem alto grau de intemperização e por esse motivo não apresentam minerais vulneráveis ao intemperismo, bem como, baixa relação de silte e alto teor de óxidos de ferro e alumínio.
É um material não hidromórfico, coeso e estável, devido ao elevado teor de argila, porém na construção civil, mais especificamente para uso em concreto armado, é visto com cautela, uma vez que a acidez elevada deste solo pode danificar a armadura. A coloração destes solos é variável em função da quantidade e do tipo de óxidos de ferro presentes, conforme mostram as figuras 7, podendo oscilar entre as cores avermelhada, alaranjada
ou amarelada (OLIVEIRA e BRITO,1998).
Figura 7 - Tipos de Latossolo
a) Latossolo vermelho-amarelo b) Latossolo amarelo
Fonte: Embrapa, (2005).
2.1.2.2 Cambissolo
Os cambissolos por sua vez são solos pouco desenvolvidos e com horizonte B em formação, onde, os processos genéticos não se aprofundaram o suficiente para criação de um horizonte B com estrutura, cor e outras características que definem os horizontes das demais classes de solos. As propriedades de interesse geotécnico desses solos com o horizonte B câmbico são muito variáveis, assim como, sua consistência, que oscila de média a argilosa. Estes solos se estabelecem na parte mais inclinada e apresentam uma sequência de horizontes A-B-C, onde a espessura do horizonte B pode alterar de acordo com o relevo. Áreas com relevos muito movimentados, encontram-se com horizonte B pouco espesso, todavia, topografias pouco declivosas exibem espessura mais elevada, podendo chegar a um metro. Já o
horizonte C armazena os traços de decomposição da rocha-mãe (OLIVEIRA e BRITO,1998).
2.1.2.3 Solos Podzólicos
Os solos podzólicos sucedem em declividades menores que os cambissolos e possuem um seguimento de horizontes A-B-C, com notória distinção entre entres, sendo o horizonte B mais concentrado em argilas e o horizonte A mais arenoso. Possuem características bastantes distintas, se comparados aos mesmos horizontes dos solos latossólicos, visto que, o horizonte B é denominado geotecnicamente como solo maduro, bastante heterogêneo, com media a baixa permeabilidade, baixa compressibilidade, pouco expansível e ponderada resistência ao desmoronamento e o horizonte A é relativamente espesso, podendo chegar a um metro. Por outro lado, o horizonte C possui características similares as ponderadas nos latossolos (OLIVEIRA e BRITO,1998).
2.1.2.4 Areia Quartzosa
Areia quartzosa é um solo de sedimentos formado pela ação do vento, conforme ilustrado na figura 8. Apresentam uma sequência de horizontes A-C, sendo basicamente arenoso e profundo, composto por grãos de quartzo. Os horizontes A e C possuem texturas arenosas, alta permeabilidade, baixa compressibilidade, boa capacidade de carga e sem expansividade. Todavia, o horizonte A pode conter concentração de matéria orgânica.
Ocorrem tanto em áreas de topografia tênue, como planícies, bem como, em superfícies alta, como colinas e morrotes, resultando numa variável fragilidade a erosão. Este tipo de solo também é considerado inadequado para aterros compactados, exceto
Figura 8 - Areia Quartzosa
Fonte: Embrapa, (2005).
2.1.2.5 Solo Glei
Os solos Glei são derivados de materiais argilosos, provindos de sedimentos de diferentes origens. Estes solos apresentam uma sequência de horizontes A-C, onde o horizonte A é concentrado em matéria orgânica, e o horizonte C com saturação acentuada. Ocorrem em superfícies plana e o lençol freático fica situado próximo a superfície, tornando esta área inundável nos períodos chuvosos ou sujeitos a marés.
O lençol freático mantém seu nível elevado na maior parte do ano, formando um solo com textura argilosa. Além disso, é considerado um material inadequado para uso em fundações e aterros compactados, visto que, manifestam características desfavoráveis, como baixa resistência ao cisalhamento e alta compressibilidade. Este solo também apresenta má qualidade da água subterrânea, devido a grande concentração de sais, não oferece condições para instalações de fossas de infiltração e conta com baixa drenabilidade (OLIVEIRA e BRITO,1998).
2.1.2.6 Solo Litólico
São solos jovens, sem horizonte B, rasos (inferior a 50 cm de profundidade), de textura siltosa, arenosa, média ou argilosa. Apresentam uma sequência de horizontes A-C ou horizonte A em contato direto com a rocha, tornando-se um solo pouco evoluído, porém favorável a exploração de pedreiras. Em geral, esse tipo se solo é encontrado em
áreas de relevo montanhoso e quase sempre associados a afloramentos de rochas, conforme ilustrado nas figuras 9 e 10 (OLIVEIRA e BRITO,1998).
Figura 9 - Solo Litólico
Fonte: Embrapa, (2005).
Figura 10 - Afloramento de rochas
2.2 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS
Gerscovich (2012), indica que a resistência ao cisalhamento do solo é definida como a tensão cisalhante.
O conceito de ruptura do solo consiste em uma parte do solo se “desprender” do conjunto; e pode ocorrer de forma brusca, onde se desintegra quando atinge determinada tensão, ou de forma plástica, onde o solo vai se deformando indefinidamente sob tensão constante.
De acordo com Scariot (2018), a resistência ao cisalhamento do solo se relaciona à sua capacidade de suporte de cargas sem que ocorram instabilidades, ou seja, até que não ocorram deslizamentos ou outro tipo de movimento de massa de solo. O cisalhamento, que atua ao longo da superfície, é estudado segundo uma parte de massa de solo em relação a outra, que geralmente permanece imóvel. Na Mecânica dos Solos a ruptura acontece quando a tensão de cisalhamento se iguala à resistência do material considerado, sem atentar para as deformações. De maneira geral envolvendo duas componentes: o atrito e a coesão.
Conforme Gerscovich (2012, p. 21) “A ruptura em si é caracterizada pela formação de uma superfície de cisalhamento contínua na massa de solo. ”
Quando uma camada de solo se torna instável é chamada de zona cisalhada. Esta, quando o processo de deslizamento inicia, não suporta as tensões aplicadas ao solo e não consegue interromper o desmoronamento. Assim se cria uma superfície de cisalhamento, que é claramente identificada. Desta forma entende-se que este processo ocorre quando as tensões cisalhantes forem maiores que a resistência ao cisalhamento do solo, como pode ser visto na Figura 11 abaixo.
Figura 11 - Zona fraca, zona cisalhada e superfície de cisalhamento.
De acordo com Silva e Nunes (2017), a resistência do solo ao cisalhamento é de extrema importância como propriedade dinâmica do solo, e poucas vezes é considerada como tal nas pesquisas. Quando se verifica o uso e manejo de um solo, assim como os estados de consistência, pouco se observa sobre o comportamento da estrutura dos solos. Isto tem contribuído para a adoção de estratégias quase sempre equivocadas, tendo, como consequência, o enfraquecimento das propriedades físicas e mecânicas do solo.
Condições climáticas e topográficas contribuem para este fator, mas diversas vezes a ação humana é a principal causadora deste desgaste do solo.
2.3 MOVIMENTOS DE MASSA GRAVITACIONAIS
Conforme Varnes (1978) apud Heidemann (2011), Landslides podem ser definidos como movimentações de solo ou rocha com deformação cisalhante com uma ou várias superfícies de ruptura, e estas visíveis ou razoavelmente inferidas.
Schuster (1996) apud Heidemann (2011), chama o termo de “movimentos gravitacionais de massa”, já que a tradução do termo LANDSLIDES do inglês significa “deslizamentos de terra” e não descreve exatamente o que ocorre pois não são apenas deslizamentos nem tampouco apenas solo, e sim rochas e detritos.
A longo prazo este processo pode ser propício a formação de áreas ideais para agricultura e habitação, porém em curto prazo, costumamos chamar de desastres naturais pois muitas vezes causa prejuízos a população (SCHUSTER, 1996 apud HEIDEMANN, 2011).
2.3.1 Classificação dos Movimentos de Massa Gravitacionais
Existem diversos tipos de critérios para classificação dos movimentos gravitacionais de massa, baseados nas variáveis que atuam sobre o processo. O tipo de movimento é um dos critérios para classificação. A seguir classificação de acordo com Cruden e Varnes (1996) apud Schneider (2017):
Quedas: porção de solo ou rocha que se desprende do maciço e em grande velocidade.
Tombamento: rotação de um bloco de solo ou rocha sob um eixo abaixo de seu centro de gravidade. Causado pelo aumento da poropressão em fraturas.
Escorregamento: ocorrem em superfícies de ruptura não muito espessos onde se concentram deformações cisalhantes. O solo escorrega nesta face onde ocorreu cisalhamento e desce de forma gradual, normalmente onde temos descontinuidades como encontro solo-rocha.
Espalhamento: forma de deslizamento que ocorre de forma translacional. Escoamento: ocorre quando temos encontro de um material mais coesivo e outro mais fraturado. Aquele escoa envolvendo o material fraturado até que se desintegre e penetre nas fissuras deste. Movimentos muito lentos.
Erosão: “A ação antrópica tem sido o fator condicionante na deflagração dos processos erosivos, nas suas várias formas de atuação, como desmatamento e construção de vias de acesso, sem atenção às condições ambientais naturais” (GODOI, 2016).
Um exemplo de erosão ocorre no fenômeno chamado de voçorocas, conforme ilustrado na figura 12.
Figura 12 - Fenômeno Voçorocas
Fonte: Clube de Engenharia, 2014
Subsidência: refere-se ao movimento de uma superfície (geralmente a superfície da Terra) à medida que ela se desloca para baixo relativamente a um nível de referência, conforme ilustra a figura 13.
Figura 13 - Classificação dos movimentos de massa – subsidência
Fonte: GODOI (2016) – Notas de aula
Fluxo ou corrida: deslocamento semelhante a liquido viscoso onde a velocidade depende da quantidade de água na massa. Atinge grandes velocidades.
Os principais tipos de movimentos de massa, velocidade e dimensão de danos causados de acordo com a classe do movimento, encontram-se descritos na figura 14 e tabela 1.
Figura 14 - Principais Movimentos. a) queda; b) tombamento; c) deslizamento rotacional; d) deslizamento translacional; e) escoamento; f) fluxo ou corrida.
Fonte: HIGHLAND e BOBROWSKI, 2008 apud HEIDEMANN, 2011 (modificado a partir da fonte original).
Tabela 1 - Escala de velocidade de movimentos gravitacionais de massa
Fonte: Modificado - CRUDEN e VARNES, 1996 apud HEIDEMANN, 2011
2.3.2 Fatores Causadores dos Movimentos de Massa Gravitacionais
De acordo com Caputo (1998), “Geralmente constituem causas de um escorregamento o “aumento” de peso do talude (incluindo as cargas aplicadas) e a “diminuição” da resistência ao cisalhamento do material. As primeiras classificam-se como externas e as segundas, como internas. ”. Na teoria, um talude é submetido a três forças: devido ao escoamento da água, devido ao seu peso próprio, e devido a sua resistência ao cisalhamento.
Therzaghi (1952), categorizou os movimentos de massa em internos e externos, como demonstra a tabela 2. Em qualquer uma das classificações o processo é associado a redução da resistência ao cisalhamento ou acréscimo de tensões.
As causas externas são aquelas que provocam um aumento das tensões atuantes sem que haja ao mesmo tempo um aumento da resistência ao cisalhamento do material adjacente ao talude. As causas internas são aquelas que provocam um escorregamento sem que haja modificações das condições superficiais e sem a existência de choques sísmicos. Portanto, admite-se que houve uma diminuição da resistência ao cisalhamento do material. As causas mais comuns para que ocorra essa diminuição podem ser um aumento da pressão hidrostática e num decréscimo progressivo da coesão do material do talude (THERZAGHI, 1952 apud GODOI, 2016).
Tabela 2 - Fatores causadores de movimento de massa
Fonte: Therzaghi (1952) apud Heidemann (2011).
2.4 ESTABILIZAÇÃO DE TALUDES
Almeida (2016), define taludes ou as encostas naturais como superfícies inclinadas de maciços terrosos, rochosos ou mistos (solo e rocha). Possuem origem geológica diversa. Normalmente os taludes naturais são chamados de encostas enquanto os originados de cortes são identificados por originarem-se de escavações, sendo mais comum no ambiente urbano.
Elementos geométricos de uma encosta ou talude conforme figura 15.
Figura 15 - Elementos geométricos de um talude
Fonte: Almeida, (2016).
O ângulo de um talude natural é o maior ângulo de inclinação para um determinado tipo de solo exposto ao tempo, obtido sem ruptura do equilíbrio do maciço. Conforme Cardoso (2002) apud Almeida (2016), nos solos não coesivos (areias) esse ângulo praticamente coincide com o ângulo de atrito interno, e nos solos coesivos (argilas), ditos impermeáveis, teoricamente equivale a 90°. No entanto, a presença de fissuras devidas à retração por molhagem e secagem acaba permitindo a entrada de água no corpo do talude, que leva à sua instabilização. Como consequência, pode-se afirmar que o ângulo de talude natural de solos coesivos situa-se entre 30° e 40° (CARDOSO, 2002 apud ALMEIDA, 2016).
Bastos (2006), cita os fatores de redução da estabilidade de encostas: • Aumento do poro pressão;
• Redução da coesão; • Sobrecarga no maciço;
• Ação erosiva interna (piping) e externa.
Scariot (2018), classifica os tipos de reforço de acordo com a tabela 3.
Tabela 3 - Tipos de obra de estabilização de encostas
GRUPOS SUBGRUPOS TIPOS DE OBRA
Obras sem estrutura de
contenção
Retaludamento Cortes aterro compactado Carga de fase de talude (muro de terra) Talude continuo e escalonado
Proteção superficial
Materiais naturais
Gramíneas
Grama armada com geossintéticos Vegetação arbórea (mata) Selagem de fendas com solo argiloso
Materiais artificiais
Cimentado Geomantas e gramíneas Geocelula e solo compactado
Tela argamassada Pano de pedra ou lajota
Alvenaria armada Asfalto Lonas sintéticas
Drenagem
Interna Drenos sub-horizontais, trincheiras Externa Canaleta de borda, de pé e descida Canais Estabilização de blocos Retenção Tela metálica e tirante
Remoção Desmonte
Obras com estrutura de
contenção
Muro de arrimo
Concreto Concreto armado
Concreto ciclópico
Gabião Gabião-caixa
Bloco de concreto articulado
Bloco de concreto articulado (pré-fabricado, encaixado sem rejunte)
Outras soluções de contenção
Terra armada ancoragem metálica ou geossintéticos Placa pré-fabricada de concreto, Solo compactado e
reforçado
Geossintéticos Paramento com pré-fabricados Cortina atirantada Solo grampeado Obras de proteção para massas movimentadas Contenção de massas movimentadas
Materiais naturais Barreira vegetal
Materiais artificiais Muro de espera
Guidicini e Nieble (1983) apud Maciel Filho (1997) menciona: “As técnicas de melhoria de estabilidade de taludes rochosos resumem-se em quatro grupos básicos: mudança na geometria do talude; drenagem de água subterrânea; reforço do maciço; controle do desmonte. Destes, os três primeiros se aplicam também a taludes terrosos.”. Iremos mencionar apenas as três primeiras técnicas visto que nosso estudo não irá verificar o uso de explosivos para desmonte de talude rochoso.
Conforme Dyminski (2007), o material que compõe um talude tem a tendência natural de escorregar sob a influência da força da gravidade, entre outras que são suportadas pela resistência ao cisalhamento do próprio material.
Gerscovich (2012 p.85) descreve que o objetivo da análise de estabilidade é verificar se existe risco de escorregamentos de massa em talude natural ou construído. As análises são realizadas pela comparação das tensões cisalhantes com a resistência ao cisalhamento.
De acordo com CESEC/UFPR (2016) apud Orige (2016), os objetivos da análise de estabilidade são:
1. Verificar a estabilidade de taludes em obras geotécnicas para viabilização de projetos econômicos e seguros;
2. Identificar possibilidades de escorregamentos de taludes naturais ou artificiais, indicando modificações e observando resultados que indicam a resistência final do maciço;
3. Analisar escorregamentos ativos, e causas da ruptura;
4. Idealizar projetos de estabilização de taludes já rompidos, citando alternativas preventivas e corretivas;
5. Estudar o efeito de ações naturais ou artificiais como terremotos, maremotos, explosões, execução de obras, etc.;
6. Entender o desenvolvimento e forma de taludes naturais.
As técnicas de análise de estabilidade podem ser divididas em dois grandes grupos: a análise probabilística e as análises determinísticas.
Roesner (2015) afirma que “Com a análise de estabilidade é possível definir um fator de segurança. Existem dois tipos de abordagem para a determinação deste fator do ponto de vista determinístico: teoria de equilíbrio-limite e análise de tensões.”.
2.4.1 Análise Determinística
Análise determinística, de acordo com FLORES (2008), é baseada nos métodos de equilíbrio limite (Bishop, 1955; Spencer, 1967; Morgenstern-Price, 1965; Janbu, 1973). Com estes métodos se obtém o FS (fator de segurança), que normalmente é suficiente para garantir a estabilidade do talude. Porém esta análise não considera as incertezas ou erros durante o processo de captação de amostras, nem tão pouco erros nos ensaios realizados. Este tipo de análise é amplamente questionado por levar em conta apenas o conhecimento de quem o utiliza e dar como resultado apenas o FS, sendo que este valor não demostra o funcionamento do talude como todo.
A prática frequente de utilizar o mesmo valor de fator de segurança para um determinado tipo de aplicação sem considerar o grau de incerteza envolvido em seu cálculo é um recurso inconsistente. (...)incertezas são consideradas de modo implícito através de um valor único e, em geral, médio o qual é assumido como representativo de todo o talude sem quantificar a variabilidade intrínseca dos parâmetros (DUNCAN, 2000 apud MONTEIRO et al, 2018).
Conforme Gerscovich (2016), para determinação do FS, do ponto de vista determinístico, existem dois tipos de abordagens, analise de tensões atuantes e a teoria do equilíbrio limite.
2.4.1.1 Análise de Tensões Atuantes
Segundo Gerscovich (2016), alguns tipos de solo sofrem alterações devido às variações de pressões na água que são transmitidas aos grãos. Quando ocorre excesso de poropressão, através da dissipação, há um aumento na tensão efetiva e na resistência ao cisalhamento do solo; influenciando diretamente no valor do FS, aumentando-o, já que este é definido pela relação entre a resistência ao cisalhamento do solo e as tensões cisalhantes mobilizadas. Sendo o comportamento do solo regulado pelas tensões nos grãos, a correta forma de realizar os estudos de estabilidade é pela análise do comportamento em termos de tensão efetiva. Sendo assim, a definição da tensão cisalhante é realizada com base nas envoltórias de resistência. No caso saturado é necessário determinar os parâmetros de resistência como a coesão real, o ângulo de atrito interno e a poropressão após a solicitação (acréscimo de poropressão devido à solicitação, caso não drenado). Sendo assim escrita pela equação 1.
= + − ∗ (1) No qual,
• C’ é a coesão real;
• Φ é o ângulo de atrito interno;
• σ é a tensão normal média na base da fatia;
• u é a poro pressão atuante no centro da base da fatia.
De acordo com Oliveira e Brito (2011), Método dos Elementos Finitos se define por método numérico para distribuição de tensões do talude, dando forma ao volume suscetível à ruptura e avaliando sua estabilidade.
O método dos elementos finitos (MEF) é um procedimento numérico muito difundido na análise de estruturas e meios contínuo. Ele baseia-se no conceito de discretização da estrutura e meios contínuos e, a partir daí, na obtenção de soluções numéricas aproximadas. Assim, com essa técnica procura-se dividir o meio contínuo em subdomínios, referidos como elementos, que são interligados através dos pontos nodais onde são definidos os graus de liberdade a serem determinados. A ideia básica consiste em transformar um problema complexo na soma de diversos problemas simples (BARROS et al., 2015).
2.4.1.2 Equilíbrio Limite
Os métodos utilizados “[...] baseiam-se na hipótese de haver equilíbrio numa massa de solo, tomada como um corpo rígido-plástico, na iminência de entrar em um processo de escorregamento. Daí a denominação geral de métodos de equilíbrio-limite (MASSAD, 2010, p. [63]).”.
Baseiam-se na hipótese de que o solo se comporta como um material rígido plástico, ou seja, rompe bruscamente, sem se deformar. Além disso, os métodos admitem a condição estática das massas de solo, o que permite a aplicação das equações de equilíbrio estático.
Os métodos de equilíbrio-limite partem dos seguintes pressupostos:
a) o solo se comporta como material rígido-plástico, isto é, rompe-se bruscamente, sem se deformar;
b) as equações de equilíbrio estático são válidas até a eminência da ruptura, quando, na realidade, o processo é dinâmico;
c) o coeficiente de segurança (F) é constante ao longo da linha de ruptura, isto é, ignoram-se eventuais fenômenos de ruptura progressiva(MASSAD, 2010)
Os parâmetros utilizados são: a geometria do talude, a topografia, a geologia, cargas estáticas e dinâmicas. No entanto, esses métodos não levam em conta o comportamento tensão vs deformação do solo e os fatores de segurança são
considerados constantes ao longo da superfície de ruptura. (BABA et al., 2012 apud VILHETE, 2017).
Os métodos de análise para taludes com superfícies de ruptura composta, baseados na teoria de equilíbrio limite, utilizam o método das fatias, conforme método de Bishop.
Bishop (1955) apud Das (2007), propôs um método para análise de estabilidade de taludes que partiu do Método Comum das Fatias, onde se costuma dividir em diversas lamelas o talude analisado, levando em conta as reações entre fatias. O método simplificado de Bishop é provavelmente o mais utilizado hoje em dia e quando utilizado em conjunto a softwares de computador apresenta resultados satisfatórios na maioria dos casos.
Torres Filho e Andrade (2015), sugere que várias superfícies de ruptura devem ser investigadas de modo a encontrar a superfície crítica que forneça o fator de segurança mínimo. A figura 16 demonstra como agem as forças de acordo com o método de Bishop e as equações 2, 3 e 4 são utilizadas para o cálculo.
Figura 16 - Fatia genérica com as forças atuantes no sistema (Método de Bishop)
Fonte: Conceição (2011) apud Torres Filho e Andrade (2015)
Em que:
W = peso da fatia; Q = sobrecarga;
S= força de cisalhamento atuante na fatia; N= força normal à fatia;
En= força horizontal devido às fatias adjacentes; u = poropressão atuante na fatia;
β = inclinação na parte superior da fatia; Ψ = inclinação do reforço;
α = inclinação da parte inferior da fatia com a direção horizontal.
+ ∗ + ∗ = (2) = ∗ ! ∗"#∗$%&' ()*+$%, ∗-./&' (3) 0 = 12 ∗3+ 456∗∆#∗$%&' !8-&9$%, ∗-./&/'∗ ; < 1 ∗)=>* (4)
Ainda de acordo com Torres Filho e Andrade (2015), identifica-se o fator de segurança como constante em ambos os lados da equação, tornando necessário um procedimento iterativo para sua determinação.
Podemos fazer uma simples comparação entre os métodos de equilíbrio limite, conforme apresentado na tabela 4.
Tabela 4 - Condições de equilíbrio estático e superfície de ruptura
2.4.2 Fator de Segurança
Segundo Roesner (2015), fator de segurança é o valor numérico obtido da relação entre a resistência ao cisalhamento do material e a resistência ao cisalhamento mobilizado, que seria da massa movimentada, para que o maciço se equilibre na presença dos esforços que agem sobre ele. Ou seja, relação entre as forças resistentes e atuantes.
Conforme Gerscovich (2016), a análise, de modo geral, é feita comparando as tensões cisalhantes desenvolvidas no plano de ruptura mais provável com a resistência do solo ao cisalhamento. A relação entre estas forças é expressa pelo Fator de Segurança FS, conforme mostrado na equação 5.
0? = ∑ (BçD) E=)F) => =)∑ (BçD) GF)D3HD> =) (5) A tabela 5 determina a estabilidade de acordo com o FS e a figura 17 ilustra as tensões atuantes e resistentes no solo de acordo com Dyminski (2007).
FS resultante inferior a 1, o talude é considerado instável e pode romper; FS resultante igual a 1, as forças resistentes são iguais às forças cisalhantes e, dessa forma, o talude encontra-se na iminência de ruptura;
Caso o FS resultante seja maior que 1, o talude é considerado estável. Assim, observa-se que quanto maior for o FS resultante, mais estável será o talude.
“Na natureza, os coeficientes de segurança estão em torno de 1 para situações críticas, isto é, chuvas intensas e prolongadas, infiltração de água e saturação do solo(...)” (MASSAD, 2010).
Tabela 5 - Fator de segurança e condições de estabilidade
Figura 17 - Tensões Resistentes e atuantes no maciço
Fonte: Dyminski – Notas de aula UFPR, (2007).
De acordo com a NBR 11.682:2009; devemos ainda considerar outros aspectos para a definição do fator de segurança, observando e classificando o projeto a partir da possibilidade de perdas humanas (Tabela 6), danos materiais e ambientais (Tabela 7) e assim relacionar ambas a tabela 8 para obter o grau de segurança desejado. Os carregamentos previstos em projeto incluem suposições sobre o nível freático (tendo em vista que não obtivemos informações de sondagem), alterações na geometria do talude ou sobrecargas.
Tabela 6 - Grau de segurança esperado: Vidas Humanas
NÍVEL DE SEGURANÇA DESEJADO CONTRA PERDA DE VIDAS HUMANAS GRAU DE
SEGURANÇA CRITÉRIOS
Alto
Áreas com intensa movimentação e permanência de
pessoas, como edifícios públicos, residenciais ou industriais, estádios, praças e demais locais, urbanos ou não, com possibilidade de elevada concentração de pessoas. Ferrovias. Rodovias de tráfego intenso.
Médio
Áreas e edificações com movimentação e permanência restrita de pessoas.
Ferrovias e rodovias de tráfego moderado.
Baixo
Áreas e edificações com movimentação e permanência eventual de pessoas.
Ferrovias e rodovias de tráfego reduzido.
Fonte: Adaptado de NBR 11682 (2009).
Tabela 7 - Grau de segurança esperado: Perdas materiais e ambientais NÍVEL DE SEGURANÇA DESEJADO CONTRA PERDAS MATERIAIS E
AMBIENTAIS GRAU DE
SEGURANÇA CRITÉRIOS
Alto
Danos materiais: Locais próximos a propriedades de alto valor histórico, social ou patrimonial, obras de grande porte e áreas que afetam serviços essenciais.
Danos ambientais: Locais sujeitos a acidentes ambientais graves, tais como nas proximidades de oleodutos, barragens de rejeito e fábricas de produtos tóxicos.
Médio
Danos materiais: Locais próximos a propriedades de valor moderado.
Danos ambientais: Locais sujeitos a acidentes ambientais moderado.
Baixo
Danos materiais: Locais próximos a propriedades de valor reduzido.
Danos ambientais: Locais sujeitos a acidentes ambientais reduzidos.
Tabela 8 - Fatores de Segurança
Fonte: Adaptado de NBR 11682 (2009).
2.4.3 Análise Probabilística
“Eventualmente é possível determinar a probabilidade de ocorrência do processo de ruptura e suas consequências ou danos. A probabilidade de ruptura é correlacionada com o valor médio do fator de segurança e seu desvio padrão (σ)” (GARCIA et al, 2016).
2.4.4 Drenagem
Segundo Bastos (2006), “A percolação de água em encostas pode reduzir a resistência do maciço por quatro fatores(...)um dos métodos de estabilização de encostas naturais é a drenagem profunda do maciço”.
O objetivo da drenagem é diminuir a quantidade de água no solo por efeito da infiltração. Podemos utilizar drenagem superficial ou profunda, de acordo com a necessidade prevista em projeto. A drenagem superficial é possível por meio de canaletas, localizadas na crista do talude, e bermas que devem possuir espaçamento de 2 m de largura com altura entre 9 e 10 metros, como ilustra a figura 18; formando-se assim uma espécie de escada que diminui a intensidade e força de descida da água no escoamento. Esta é uma solução de baixo custo e não exige mão de obra especializada (MASSAD, 2010).
Bermas são aterros laterais de terra, normalmente do mesmo material do talude, com o objetivo de aumentar a estabilidade. Este aumento se dá pelo equilíbrio de peso próprio e pela redistribuição das tensões de cisalhamento.
Figura 18 - Drenagem superficial – posição das canaletas e bermas
Fonte: Paiva, 2012
A drenagem profunda consiste em rebaixar o nível freático, reduzindo as pressões e estabilizando o maciço. Instala-se drenos sub-horizontais profundos.
O processo consiste em executar com sondagens mistas, a percussão e rotativa, furos de 2” a 3” de diâmetro, levemente inclinados em relação à horizontal, onde são instalados tubos de PVC previamente preparados. Os tubos são perfurados e envolvidos por tela fina ou manta de geossintético. Esta solução requer a observação de campo, através de piezômetros e medidores de nível d’agua, como garantia do pleno funcionamento do sistema de drenagem (MASSAD, 2010).
Ainda segundo Bastos (2006), cita também que a drenagem pode ser realizada por meio de ponteiras filtrantes, poços profundos, trincheiras, drenos verticais, drenos sub-horizontais, galerias ou túneis.
Devido aos inúmeros efeitos que a água pode exercer sobre um maciço de solo ou de rocha (aumento do peso específico do material, aumento da poropressão e consequente diminuição da pressão efetiva, forças de percolação, subpressão e outros), é extremamente necessário que se tomem os cuidados recomendados no que diz respeito à drenagem adequada do terreno. Devem ser instaladas no talude canaletas para recolhimento da água superficial. Quanto à água no interior do talude, a mesma poderá ser recolhida através de drenos. Os drenos podem ser basicamente de dois tipos: de superfície, para drenar a água que se encontra logo atrás do paramento, e drenos profundos, para que água do interior do maciço possa escoar para fora do mesmo (DYMINSKI, 2007).
2.4.5 Reforço do Maciço
De acordo com Scariot (2018), o fato de o maciço não possuir solo com boa capacidade de suporte não indica que o mesmo não possa ser utilizado para projeto. Soluções para recuperação da área: estabilização química, contenção com geossintéticos, retaludamento, solo grampeado e cortina atirantada são técnicas utilizadas com a função de reforço.
Desde a década de sessenta, quando o engenheiro francês Henri Vidal patenteou o sistema Terra Armada, o princípio do reforço do solo tem se intensificado, assumindo uma importância primordial. Outro grande marco foi o adensamento urbano das grandes metrópoles que trouxe como consequência o uso e ocupação dos solos de baixa resistência. Uma vez que estando comprometida a segurança relativa à estabilidade global do solo, a introdução de elementos resistentes nos maciços terrosos de forma orientada e espaçada tem melhorado o comportamento mecânico, a partir da transferência de esforços do solo para o material de reforço. O melhoramento geotécnico baseia-se nos métodos de trocar, comprimir, grampear ou grautear o solo, podendo ser empregado em projetos de vias de comunicação viárias ou ferroviárias, aeroportos, obras de terra e projetos de fundações. As técnicas combinam a compactação com processos químicos ou inclusão de materiais de reforço (SCARIOT, 2018).
De acordo com Maciel Filho (1997), o reforço de um maciço só é viável economicamente quando ele não possuir grandes dimensões caso contrário é preciso realizar estudo de custo benefício para verificar a viabilidade, tendo em vista que para o reforço se utiliza um adicional de 20% do peso do maciço a ser contido. Caso seja este o único meio possível, existem pelo menos três formas de contenção por meio de reforço, sendo algumas delas: tirantes, gabiões e “cribwall”.
2.4.5.1 Estabilização Química
A técnica de melhoramento de solo com utilização de processos químicos busca melhorar as propriedades mecânicas aumentando a resistência do solo, diminuição a compressibilidade e a permeabilidade, enquanto no procedimento de reforço se utiliza inclusões ao maciço, ou seja, preciso colocar algo que dê o suporte que este solo não possui. Ainda sobre o processo químico, combina a compactação do solo com a adição de um novo material que pode ser, cal, cimento e materiais betuminosos, alcançando assim, a estabilização. O uso da cal e do cimento tornam o solo estável e mais alcalino, que resulta em elevada resistência (CASAGRANDE, 2001).
Oliveira (2010) fala da importância dos agentes químicos, melhorando as propriedades mecânicas de um solo que não apresenta características geotécnicas suficientes para suportar a obra projetada. Neste caso, este processo confere coesão, através da cimentação ou aglutinação das partículas do solo.
2.4.5.2 Geossintéticos
São, em geral, materiais parecidos com tecido feito de polímeros, a exemplo do poliéster, polietileno, polipropileno entre outros.
O reforço de solo que utiliza a técnica de geossintéticos consiste em se “montar” diversas camadas alternando solo e material sintético em camadas horizontais de forma que toda a estrutura trabalhe em conjunto, de acordo com altura e inclinação especificada em projeto, proporcionando assim uma melhora na capacidade de suporte do maciço. O geossintético pode ser uma geogrelha, conforme figura 19, ou geotêxtil tecido e pode ser utilizado em contenções, reforços, encontros de pontes, muros de arrimo ou aterros sobre solo mole. As geogrelhas possuem maior resistência a tração e interagem melhor com o solo por sua geometria. Mais utilizada na versão uniaxial, tendo em vista que taludes e muros possuem estado plano de tensões e assim o reforço precisa ser feito apenas de forma ortogonal a face. (NETO E PORTELINHA, 2016).
De acordo com Das (2011), cada tipo de geossintético desempenha uma ou mais funções das listadas abaixo:
• Separação: mantem as diferentes camadas de solo separadas;
• Reforço: a resistência a tração dos geotêxtis aumenta a capacidade de carga do solo;
• Filtragem: quando posicionado entre duas camadas de solo de
granulometria diferente, permite a passagem de água sem que o solo mais fino seja carregado;
• Drenagem: os tecidos canalizam e transferem a água do solo para diversas saídas;
• Contenção de umidade: pode ser disposto de forma a permitir que parte da água permaneça no solo contendo um determinado teor de umidade necessário a vegetação por exemplo.
Figura 19 - Reforço de talude com uso de geogrelha
Fonte: BBF- Tecnologias do Ambiente, 2019
O geotêxtil é um dos tipos de geossintético e seu tecido é formado a partir de derivados do petróleo como o poliéster ou fibra de vidro. Não é feito a partir de fibra natural devido a sua rápida degradação. Possuem forma tecida, tricotada, ou não tecida. Neste caso, as fibras são dispostas em padrão orientado ou aleatório em uma estrutura plana e são dispostos de forma a formar uma trama solta que posteriormente será unida por meio de: adesão química (por meio de cola), adesão térmica (com aplicação de calor) ou adesão mecânica (perfuração por agulhas). A espessura dos geotêxtis é de cerca de 0,25 a 7,6mm. (DAS, 2007).
2.4.5.3 Retaludamento
É um processo de terraplanagem através do qual se alteram, por cortes ou aterros, os taludes originalmente existentes em um determinado local para se conseguir uma estabilização do maciço.
De acordo com Silva (2012), a técnica de retaludamento é muito simples e eficaz, e deve ser a primeira consideração em projeto de recuperação de taludes. A inclinação e altura do talude são os dois fatores mais relevantes no retaludamento de um maciço. A técnica em questão:
Consiste na alteração da geometria do talude recorrendo ao corte ou aterro de forma a conseguir um perfil mais estável. É geralmente utilizada em conjunto com obras de drenagem de forma a reduzir as infiltrações e o escoamento superficial, minimizando os processos erosivos (SILVA, 2012).
De acordo com Quinta-Ferreira (2014), ao analisar o problema, identificado e demonstrado na figura 20, considerou-se que a estabilização da plataforma observada na figura abaixo poderia ser feita com base em duas hipóteses de intervenção:
a) reforçar o talude de modo a estabilizar a fundação do pavimento;
b) corrigir o traçado da rua 18 de Dezembro, suavizando a curva de modo a evitar a zona instabilizada.
a) na primeira hipótese (reforçar o talude de modo a estabilizar a fundação do pavimento) é necessário: (...). Esta solução implicará o corte parcial da via para as operações de escavação e construção da estrutura de suporte. Todos os trabalhos de escavação na plataforma da estrada devem ser realizados em tempo seco de modo a minimizar os riscos de quedas de solos nas frentes de escavação, que pode chegar aos 6 m de altura, aconselhando a utilização de cuidados particulares de modo a impedir o corte da estrada de acesso à povoação de Lapa dos Dinheiros.
b) na segunda hipótese (...) há que demolir o muro em pedra existente no lado nascente da via e que escavar os solos no tardoz do muro; - Há que desmontar o granito nas zonas de maiores escavações (QUINTA-FERREIRA, 2014).
Figura 20 - Proposta para estabilização de talude.
Fonte: Quinta-Ferreira (2014)
2.4.5.4 Solo Grampeado
De acordo com Azzi (2013) et al, “O Solo Grampeado é uma técnica de arrimo resultante da melhoria do solo da porção arrimada. Aplica-se a taludes em corte, ou já cortados a reforçar. ”
