AGUIAR, MARCOS FÁBIO PORTO DE Estudo da Estabilidade de um Colúvio na
Serra do Mar por Elementos Finitos [Rio de Janeiro] 2008
XXIV, 204 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, D.Sc., Engenharia Civil, 2008)
Tese - Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE
1. Colúvio
2. Encostas Naturais 3. Rastejo
4. Estabilidade de Taludes 5. Método dos Elementos Finitos
I. COPPE/UFRJ II. Título ( série )
“Agir, eis a inteligência verdadeira. Serei o que quiser. Mas tenho que querer o que for. O êxito está em ter êxito, e não em ter condições de êxito. Condições de palácio tem qualquer terra larga, mas onde estará o palácio se não o fizerem ali?”
Fernando Pessoa
Aos meus pais Antonio Júnior e Célia, à minha esposa Sandra e às minhas filhas Marina e Gabriela
AGRADECIMENTOS
Durante a elaboração desta tese tive que superar diversos obstáculos das mais variadas naturezas, contando com o apoio de muitas pessoas, as quais dedico meus mais sinceros agradecimentos. O mais interessante de tudo isso é que pude comprovar, em meio a todas as questões deste trabalho, a importância dos valores humanos como amizade, compreensão, confiança e tantos outros que tornam as pessoas especiais.
Agradeço inicialmente a Deus, sem ele nada é possível.
Ao professor Márcio Almeida pela orientação segura, sempre indicando o caminho nos momentos críticos, encontrando a solução ideal para a realização do trabalho.
Ao professor Francisco Chagas pela participação em grande parte das discussões do conteúdo da tese e apoio incondicional nas questões relativas à parte numérica do trabalho.
Aos professores Francisco Lopes e Willy Lacerda que contribuíram valorosamente com suas sugestões.
A todos os professores, da área de Geotecnia, representados pelos professores:
Ian Schumann, Paulo Santa Maria, Maurício Ehrlich e Cláudio Mahler, e à pesquisadora Maria Esther, pelos ensinamentos e disponibilidade para ajudar.
Aos membros da banca, pela participação e contribuições.
Aos meus pais por terem viabilizado e apoiado esta etapa da minha vida.
À minha esposa e filhas pela privação do meu convívio para que eu consumisse
“horas e horas” na frente do computador trabalhando nesta tese.
Aos meus irmãos Gina, Giane, Fabiano e Neto por estarem sempre prontos para ajudar nas horas difíceis e torcerem pelo meu sucesso.
Aos companheiros da pós-graduação pelo apoio, convívio e amizade no tempo que passei no Rio de Janeiro.
Ao amigo Anderson Borghetti pelas discussões sobre os mais diversos temas e companheirismos durante praticamente todo o período da tese.
Aos bolsistas de iniciação científica da COPPE/UFRJ, pela ajuda na parte de análise de dados pretéritos da instrumentação de Coroa Grande.
A todos os técnicos e funcionários da área de Geotecnia pela simpatia e receptividade durante o convívio no Laboratório.
À CAPES pelo apoio financeiro recebido durante o doutorado.
À TRANSPETRO - PETROBRAS por disponibilizar os dados da encosta de Coroa Grande.
À UNIFOR pelo espaço cedido e disponibilização do programa GEOSTUDIO para análises neste trabalho.
À FINEP por possibilitar, através do projeto de pesquisa na área de segurança de barragens, a aquisição do programa Phase², utilizado nesta tese.
À FINEP-CTPetro que, através do projeto de estudos geotécnicos de dutos enterrados, viabilizou a pesquisa de campo.
Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.)
ESTUDO DA ESTABILIDADE DE UM COLÚVIO NA SERRA DO MAR POR ELEMENTOS FINITOS
Marcos Fábio Porto de Aguiar
Janeiro/2008
Orientador: Márcio de Souza Soares de Almeida
Programa: Engenharia Civil
Esta tese apresenta um estudo de encosta natural coluvionar com verificação da capacidade do Método dos Elementos Finitos na determinação do Fator de Segurança e dos deslocamentos devidos à oscilação do nível d’água, tendo como exemplo a situação de Coroa Grande no Estado do Rio de Janeiro.
O estudo, considerando dados de instrumentação no período de 1986 a 2004 e parâmetros de caracterização e de resistência ao cisalhamento, compreende: análise do movimento a partir dos dados de campo, análise de estabilidade por métodos rígido- plásticos e por modelo elástico-perfeitamente plástico com o Método dos Elementos Finitos e verificação da influência da variação do nível d’água nos deslocamentos da encosta com o MEF.
Observou-se que a encosta movimenta-se lentamente por “rastejo” com velocidade de deslocamento fortemente influenciada pelas chuvas. Os métodos utilizados, nas análises de estabilidade, comprovaram resultados compatíveis, mostrando que, nos períodos de chuvas intensas, o Fator de Segurança aproxima-se bastante da unidade. Através dos resultados das análises com o MEF, considerando as deformações cisalhantes e os deslocamentos conseqüentes da variação do nível d´água, pode identificar-se a superfície de deslizamento e observar-se a influência da geometria e da variação da inclinação, da superfície do terreno natural da encosta, na formação da superfície de deslizamento.
Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.)
A STABILITY STUDY OF A COLLUVIAL SOIL SLOPE IN THE SERRA DO MAR MOUNTAINS BY FINITE ELEMENTS METHODS
Marcos Fábio Porto de Aguiar
January/2008
Advisor: Márcio de Souza Soares de Almeida
Department: Civil Engineering
This thesis presents a study of colluvium natural slope with verification of the Finite Elements Method capacity for Safety Factor determination and displacements due to the water level oscillation. For example the situation of Coroa Grande slope in the state of Rio de Janeiro.
The study, considering instrumentation data from the period of 1986 to 2004, and characterization and shear parameters, include: analysis of movement, stability analysis with rigid-plastics methods and elastic-perfectly plastic model with the Finite Elements Method and the influence verification of the water level variation in the slope displacements.
It was observed that the slope moved slowly, with a “creeping” movement, with displacement velocity strongly influenced by the rains. The methods used, in the stability analyses, proved compatible results, showing that, in the periods of intense rains, the Safety Factor approaches very close to the unit. Through the results of the analyses with FEM, considering the shear deformations and the displacements due to the water level variation, we can identify the sliding surface and observe the influence of the geometry and inclination variation of the slope surface, in the sliding surface development.
ÍNDICE
1 INTRODUÇÃO...1
1.1 OBJETIVO... 2
1.2 METODOLOGIA ... 3
1.3 ESTRUTURA DA TESE... 4
2 ANÁLISE DE ENCOSTAS NATURAIS...6
2.1 ENCOSTAS NATURAIS ... 7
2.1.1 Solos Residuais... 7
2.1.2 Solos Coluvionares e Talus... 10
2.1.3 Comportamento na Ruptura dos Solos Residuais e Coluvionares... 11
2.2 MOVIMENTAÇÃO DE ENCOSTAS ... 12
2.2.1 Classificação dos Movimentos em Encostas... 12
2.2.2 Causas do Movimento - Mecanismos de Acionamento... 16
2.2.3 Métodos de Estabilização de Encostas... 17
2.2.4 Velocidade de Movimento... 19
2.2.5 Movimento de Encostas em Solos Coluvionares... 24
2.2.6 Instrumentação de Encostas... 26
2.3 ANÁLISE DE ESTABILIDADE DE TALUDES PELO MÉTODO DE EQUILÍBRIO LIMITE ... 29
2.3.1 Método de Talude Infinito... 33
2.3.2 Análises Tridimensionais de Estabilidade de Taludes... 34
2.4 COMENTÁRIOS FINAIS SOBRE O CAPÍTULO 2... 36
3 APLICAÇÃO DO MEF EM ANÁLISE DE ESTABILIDADE DE TALUDES...38
3.1 ANÁLISE DE ESTABILIDADE DE TALUDES COM MODELO DE ELEMENTOS FINITOS... 39
3.1.1 Técnica de Tensões com Superfície de Deslizamento Definida.. 40
3.1.2 Técnica de Redução da Resistência ao Cisalhamento... 43
3.2 VERIFICAÇÃO DA APLICAÇÃO DO MEF PARA ANÁLISE DE ESTABILIDADE ... 48
3.3 COMENTÁRIOS FINAIS SOBRE O CAPÍTULO 3... 56
4 CASO COROA GRANDE...57
4.1 LOCALIZAÇÃO ... 57
4.2 SITUAÇÃO GELÓGICO-GEOTÉCNICA... 58
4.2.1 Aspectos Geológicos... 58
4.2.2 Aspectos Geotécnicos... 59
4.3 HISTÓRICO DE INTERVENÇÕES E INSTRUMENTAÇÃO NA REGIÃO.. 61
4.3.1 Divisão do Período de Estudo... 62
4.3.2 Instrumentação da Região de Coroa Grande... 73
4.4 COMENTÁRIOS FINAIS SOBRE O CAPÍTULO 4... 76
5 ANÁLISE DO MOVIMENTO NA ENCOSTA DE COROA GRANDE...77
5.1 LOCALIZAÇÃO DA INSTRUMENTAÇÃO... 77
5.2 RESULTADOS DA INSTRUMENTAÇÃO DA ENCOSTA... 80
5.2.1 Inclinômetros... 80
5.2.2 Piezômetro e Medidor de Nível d’água... 87
5.3 COMENTÁRIOS FINAIS SOBRE O CAPÍTULO 5... 93
6 ANÁLISE DE ESTABILIDADE POR EQUILÍBRIO LIMITE EM COROA GRANDE...96
6.1 ANÁLISES COM OS MÉTODOS DE TALUDE INFINITO E SPENCER ... 96
6.1.1 Parte 1, de 1986 a 1999... 96
6.1.2 Parte 2, de 2000 a 2004... 108
6.1.3 Análise dos Resultados... 113
6.2 COMENTÁRIOS FINAIS SOBRE O CAPÍTULO 6... 115
7 ANÁLISES DE ESTABILIDADE ATRAVÉS DO MEF...118
7.1 ANÁLISE COM A TÉCNICA DE TENSÕES COM SUPERFÍCIE DE DESLIZAMENTO DEFINIDA - TTSDD ... 119
7.1.1 Poro-Pressões... 119
7.1.2 Estado de Tensões... 128
7.1.3 Análise de Estabilidade... 132
7.2 ANÁLISE COM A TÉCNICA DE REDUÇÃO DE RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO - TRRC ... 137
7.3 COMENTÁRIOS FINAIS SOBRE O CAPÍTULO 7... 157
8 MODELAGEM DA VARIAÇÃO DE PORO-PRESSÃO ATRAVÉS DO MEF....162
8.1 PROGRAMA CRISP ... 162
8.2 VETOR DE CARGA PARA CONSIDERAÇÃO DA VARIAÇÃO DE PORO- PRESSÃO ... 165
8.3 PREVISÃO DO COMPORTAMENTO DE UM ELEMENTO DE SOLO ... 168
8.4 INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DO N.A. EM ENCOSTAS SATURADAS ... 172
8.5 COMENTÁRIOS FINAIS SOBRE O CAPÍTULO 8... 177
9 CONCLUSÕES E SUGESTÕES...179
9.1 MOVIMENTOS... 179
9.2 ANÁLISES DE ESTABILIDADE... 180
9.3 INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DO NÍVEL D´ÁGUA NAS DEFORMAÇÕES ... 182
9.4 SUGESTÕES PARA PESQUISAS ... 183
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...184
ANEXO I – FIGURAS COM RESULTADOS DA INSTRUMENTAÇÃO...193
ANEXO II – TABELAS COM CLASSIFICAÇÃO DO MOVIMENTO...201
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 – Perfil típico de intemperismo na região Sudeste do Brasil, em rocha
granítica (VARGAS, 1974). ... 8
Figura 2.2 – Variação de algumas propriedades índices de um solo residual de Pernambuco (COUTINHO et al., 1998)... 9
Figura 2.3 – Relação entre resistência, índice de vazios e limite de liquidez para um solo residual de gnaisse do Rio de janeiro (MACARINI, 1980). ... 10
Figura 2.4 – Colúvio proveniente de deslizamento, com total desagregação do solo residual (LACERDA, 2002). ... 11
Figura 2.5 – Comportamentos típicos τ (tensão cisalhante) x ε (deformação axial) para solos residuais e coluvionares para condições de tensões no campo. ... 12
Figura 2.6 – Representação gráfica dos movimentos tipo; queda (a), tombamento (b), escorregamentos; rotacional, em cunha e planar ou translacional (c1, c2 e c3), espalhamento (d), corrida; lenta de terra, de areia seca e de detritos (e1, e2 e e3) e rastejo ou fluência (f), TURNER e SCHUSTER (1996)... 15
Figura 2.7 – Escala de Varnes para movimento de massas (VARNES, 1958). ... 19
Figura 2.8 – Escala de Varnes modificada para movimento de massas (CRUDEN e VARNES, 1996)... 20
Figura 2.9 – Exemplo de acompanhamento de velocidade movimentação de uma massa instável, antes do escorregamento (SAITO, 1965)... 27
Figura 2.10 – Talude parcialmente submerso com coesão c’... 33
Figura 2.11 - Comparação entre as análises bidimensionais e tridimensionais (DUNCAN, 1996). ... 36
Figura 3.1 – Círculo de tensões e envoltória de resistência para formulação do Critério de Ruptura, Função F. ... 45
Figura 3.2 - Seção do talude do aterro (CRAIG, 1997)... 49
Figura 3.3 – Rede de elementos finitos com condições de contorno e linha freática... 50
Figura 3.4 – Gráfico: FRR x Deslocamento Total Máximo (m), com resultados da análise. ... 50
Figura 3.5 – Deformações cisalhantes máximas na ruptura, FRR=Fs=1,5. ... 52
Figura 3.6 – Deslocamentos totais para FRR=Fs=1,5. ... 52
Figura 3.7 – Deformações cisalhantes máximas na ruptura, FRR=1,55. ... 53
Figura 3.8 – Deformações cisalhantes máximas na ruptura, FRR=1,75. ... 53
Figura 3.9 – Superfície de deslizamento, centro do arco de deslizamento, pontos de procura e rede de elementos finitos. ... 54
Figura 3.10 – Superfície de deslizamento com indicação do centro e pontos de procura
utilizados nos métodos tradicionais de equilíbrio limite. ... 54
Figura 3.11 – Comparação dos resultados das análises de estabilidade com métodos de elementos finitos com os métodos de equilíbrio limite. ... 55
Figura 4.1 – Localização do Oleoduto Rio-Baía de Ilha Grande – ORBIG... 58
Figura 4.2 – Implantação do duto em 1976. ... 62
Figura 4.3 – Indicação do duto, Km 48+300 – 1985... 63
Figura 4.4 – (a) Erosão devido a drenagem indevidamente localizada nas proximidades do km 48; (b) trinca na superfície do terreno indicando movimentação da encosta no Km 48+300 – 1985. ... 63
Figura 4.5 – km 48+500; (a) Localização do duto e (b) trinca na superfície do terreno indicando movimentação da encosta – 1985. ... 64
Figura 4.6 – Instrumentação instalada da região de estudo no período de 1985 a 1992. 64 Figura 4.7 – Instrumentação instalada da região de estudo no período de 1993 a 1995. 66 Figura 4.8 - ORBIG km 48+300 e 48+500, 1999... 69
Figura 4.9 – Instrumentação instalada da região de estudo no período de 1998 a 2000. 69 Figura 4.10 - ORBIG km 48+300, 2002... 71
Figura 4.11 – Área 02, instrumentada de 2000 a 2004, com indicação dos pontos de sondagem e seção AA. ... 72
Figura 4.12 – Piezômetro tipo Casagrande... 74
Figura 4.13 – Medidor de nível d’água. ... 75
Figura 5.1 – Região de estudo com indicação da área instrumentada. ... 78
Figura 5.2 – Locação da instrumentação e Seção MM... 79
Figura 5.3 – Seção MM da região instrumentada... 80
Figura 5.4 – Representação gráfica dos deslocamentos e distorções da resultante do inclinômetro SI-8... 82
Figura 5.5 – Representação gráfica dos deslocamentos e distorções da resultante do inclinômetro SI-97-2. ... 82
Figura 5.6 – Direção e sentido dos movimentos nos inclinômetros. ... 83
Figura 5.7 – Direção e sentido da tendência de deslocamento na profundidade crítica no inclinômetro SI-6... 84
Figura 5.8 – Deslocamento e velocidade com o tempo no inclinômetro SI-6... 85
Figura 5.9 – Velocidade de deslocamento e precipitações na região de junho de 1988 a junho de 1991 no inclinômetro SI-6. ... 85
Figura 5.10 – Velocidades de deslocamento e precipitações de junho de 1988 a junho de 1991 no inclinômetro SI-8... 86
Figura 5.11 – Planta topográfica da superfície de deslizamento. ... 87
Figura 5.12 – Carga piezométrica e chuva mensal nas estações de Mendanha e Santa Cruz de junho de 1988 a junho de 1991. ... 88
Figura 5.13 – Nível freático e chuva mensal nas estações de Mendanha e Santa Cruz de junho de 1988 a junho de 1991... 88
Figura 5.14 – Nível freático de acordo com o medidor de nível d’água MNA-4 de junho de 1988 a junho de 1991... 89
Figura 5.15 – Nível freático de acordo com o medidor de nível d’água MNA-4 de fevereiro de 1993 a março de 1995. ... 89
Figura 5.16 – Nível freático de acordo com o medidor de nível d’água MNA-4 de dezembro de 1997 a agosto de 1999... 90
Figura 5.17 – Nível freático e velocidade de deslocamento de junho de 1988 a maio de 1991, MNA-4 e SI-6... 91
Figura 5.18 – Nível freático e velocidade de deslocamento de outubro de 1993 a maio
de 1995, MNA-4 e SI-14-AT. ... 91
Figura 5.19 – Nível freático e velocidade de deslocamento de janeiro de 1998 a agosto de 1999, MNA-4 e SI-97-1... 92
Figura 5.20 – Seção MM da região instrumentada com a indicação de resultados da variação do nível freático e superfície de deslizamento no período... 92
Figura 6.1 – Posição das amostras AD-05 e AD-06... 98
Figura 6.2 – Massa em movimento e seções: longitudinais e transversal. ... 100
Figura 6.3 – Topografia da superfície de deslizamento da massa em movimento e seções: longitudinais e transversal... 100
Figura 6.4 – Seção AA. ... 101
Figura 6.5 – Seção BB... 102
Figura 6.6 – Seção CC... 102
Figura 6.7 – Seção DD. ... 103
Figura 6.8 – Talude Infinito, seção AA. ... 104
Figura 6.9 – Talude Infinito, seção BB. ... 104
Figura 6.10 – Talude infinito, seção CC... 105
Figura 6.11 - Seção AA utilizada no cálculo de estabilidade pelo Método de Spencer. ... 106
Figura 6.12 - Seção BB utilizada no cálculo de estabilidade pelo Método de Spencer. ... 106
Figura 6.13 - Seção CC utilizada no cálculo de estabilidade pelo Método de Spencer. ... 107
Figura 6. 14 – Área instrumentada de 2000 a 2004 com indicação dos pontos de sondagem e seção AA (FREITAS, 2004)... 109
Figura 6. 15 – Perfil AA com indicação das cotas do nível freático, das camadas da encosta e superfície de deslizamento (FREITAS, 2004)... 110
Figura 6.16 – Talude infinito, seção AA. ... 111
Figura 6.17 - Seção AA utilizada no cálculo de estabilidade pelo Método de Spencer. ... 112
Figura 6.18 – Resultados com o Método do Talude Infinito... 113
Figura 6.19 – Resultados com o Método de Spencer. ... 113
Figura 7.1 – Seção BB com as condições de contorno para análise de percolação... 121
Figura 7.2 – Elemento nº 11, quadrilateral de quatro nós (12, 13, 23 e 24). ... 121
Figura 7.3 – Malha de elementos finitos da Seção BB... 122
Figura 7.4 - Nível freático (a), carga hidráulica total (b), linhas de fluxo com vetores de velocidade de fluxo (c) e poro-pressões com nível freático mínimo (d) da Seção BB, período de 1986 a 1999 (SEEP/W do pacote GEOSTUDIO, 2004). ... 123
Figura 7.5 - Nível freático (a), carga hidráulica total (b), linhas de fluxo com vetores de velocidade de fluxo (c) e poro-pressões com nível freático crítico (d) da Seção BB, período de 1986 a 1999 (SEEP/W do pacote GEOSTUDIO, 2004). ... 124
Figura 7.6 - Nível freático (a), carga hidráulica total (b), linhas de fluxo com vetores de velocidade de fluxo (c) e poro-pressões com nível freático máximo (d) da Seção BB, período de 1986 a 1999 (SEEP/W do pacote GEOSTUDIO, 2004). ... 124
Figura 7.7 – Perfil AA com condições de contorno para a análise de percolação (adaptado de FREITAS, 2004). ... 125
Figura 7.8 – Malha de elementos finitos da Seção AA. ... 126
Figura 7.9 - Nível freático (a), carga hidráulica total (b), linhas de fluxo com vetores de velocidade de fluxo (c) e poro-pressões com nível freático mínimo (d) da Seção AA, período de 2000 a 2004 (SEEP/W do pacote GEOSTUDIO, 2004). ... 127
Figura 7.10 - Nível freático, carga hidráulica total, linhas de fluxo com vetores de velocidade de fluxo e poro-pressões com nível freático crítico da Seção AA, período de 2000 a 2004 (SEEP/W do pacote GEOSTUDIO, 2004). ... 128 Figura 7.11 - Nível freático (a), carga hidráulica total (b), linhas de fluxo com vetores de velocidade de fluxo (c) e poro-pressões com nível freático máximo (d) da Seção AA, período de 2000 a 2004 (SEEP/W do pacote GEOSTUDIO, 2004). ... 128 Figura 7.12 – Seção BB com condições de contorno e os parâmetros para a análise de tensões. ... 130 Figura 7.13 – Tensões verticais totais (a), tensões horizontais totais (b) e tensões cisalhantes (c) na Seção BB. ... 131 Figura 7.14 – Seção AA com condições de contorno e os parâmetros para a análise de tensões. ... 132 Figura 7.15 – Tensões verticais totais (a), tensões horizontais totais (b) e tensões cisalhantes (c) na Seção AA. ... 133 Figura 7.16 – Seção BB com os parâmetros de resistência do solo na superfície de deslizamento para a análise de estabilidade. ... 133 Figura 7.17 – Análise de estabilidade, Parte 1, com o MEF - TTSDD, com NA mínimo e parâmetros de resistência de pico (a) e residual (b)... 134 Figura 7.18 – Análise de estabilidade, Parte 1, com o MEF - TTSDD, com NA crítico e parâmetros de resistência de pico (a) e residual (b)... 134 Figura 7.19 – Análise de estabilidade, Parte 1, com o MEF - TTSDD, com NA máximo e parâmetros de resistência de pico (a) e residual (b)... 135 Figura 7.20– Seção AA com os parâmetros de resistência do solo na superfície de deslizamento para a análise de estabilidade. ... 135 Figura 7.21 – Análise de estabilidade, Parte 2, com o MEF - TTSDD, com NA mínimo e parâmetros de resistência de pico (a) e residual (b)... 136 Figura 7.22 – Análise de estabilidade, Parte 2, com o MEF - TTSDD, com NA crítico e parâmetros de resistência de pico (a) e residual (b)... 136 Figura 7.23 – Análise de estabilidade, Parte 2, com o MEF - TTSDD, com NA máximo e parâmetros de resistência de pico (a) e residual (b)... 137 Figura 7.24 – Seção BB, Parte 1, considerada na análise com MEF-TRRC... 138 Figura 7.25 – Malha da seção BB, Parte 1, com elementos triangulares de 6 nós, utilizada nas análises. ... 139 Figura 7.26 – Distribuição de poro-pressões em kPa na seção BB, Parte 1, com Nível d’água mínimo... 139 Figura 7.27 – Distribuição de poro-pressões em kPa na seção BB, Parte 1, com Nível d’água crítico. ... 139 Figura 7.28 – Distribuição de poro-pressões em kPa na seção BB, Parte 1, com Nível d’água máximo. ... 140 Figura 7.29 – Distribuição de tensões normais efetivas horizontais, σ’x, em kPa, resultado da análise de tensões por elementos finitos, da Seção BB, Parte 1, com nível freático mínimo. ... 141 Figura 7.30 – Distribuição de tensões normais efetivas horizontais, σ’x, em kPa, resultado da análise de tensões por elementos finitos, da Seção BB, Parte 1, com nível freático crítico... 141 Figura 7.31 – Distribuição de tensões normais efetivas horizontais, σ’x, em kPa, resultado da análise de tensões por elementos finitos, da Seção BB, Parte 1, com nível freático máximo... 141
Figura 7.32 – Distribuição de tensões normais efetivas verticais, σ’y, em kPa, resultado da análise de tensões por elementos finitos, da Seção BB, Parte 1, com nível freático mínimo... 142 Figura 7.33 – Distribuição de tensões normais efetivas verticais, σ’y, em kPa, resultado da análise de tensões por elementos finitos, da Seção BB, Parte 1, com nível freático crítico. ... 142 Figura 7.34 – Distribuição de tensões normais efetivas verticais, σ’y, em kPa, resultado da análise de tensões por elementos finitos, da Seção BB, Parte 1, com nível freático máximo. ... 142 Figura 7.35 – Distribuição de tensões cisalhantes, τ xy, em kPa, resultado da análise de tensões por elementos finitos, da Seção BB, Parte 1, com nível freático mínimo. ... 143 Figura 7.36 – Distribuição de tensões cisalhantes, τ xy, em kPa, resultado da análise de tensões por elementos finitos, da Seção BB, Parte 1, com nível freático crítico. ... 143 Figura 7.37 – Distribuição de tensões cisalhantes, τ xy, em kPa, resultado da análise de tensões por elementos finitos, da Seção BB, Parte 1, com nível freático máximo... 143 Figura 7.38 – Representação gráfica de máximas deformações cisalhantes, resultado da análise de estabilidade, por elementos finitos, da Seção BB, Parte 1, com nível freático mínimo, FRR=FS=1,54. ... 145 Figura 7.39 – Representação gráfica de máximas deformações cisalhantes, resultado da análise de estabilidade, por elementos finitos, da Seção BB, Parte 1, com nível freático mínimo, FRR= 1,75. ... 145 Figura 7.40 – Representação gráfica de máximas deformações cisalhantes, resultado da análise de estabilidade, por elementos finitos, da Seção BB, Parte 1, com nível freático crítico, FRR=FS=1,22. ... 146 Figura 7.41 – Representação gráfica de máximas deformações cisalhantes, resultado da análise de estabilidade, por elementos finitos, da Seção BB, Parte 1, com nível freático crítico, FRR= 1,50. ... 146 Figura 7.42 – Representação gráfica de máximas deformações cisalhantes, resultado da análise de estabilidade, por elementos finitos, da Seção BB, Parte 1, com nível freático máximo, FRR=FS=1,11... 147 Figura 7.43 – Representação gráfica de máximas deformações cisalhantes, resultado da análise de estabilidade, por elementos finitos, da Seção BB, Parte 1, com nível freático máximo, FRR= 1,50. ... 147 Figura 7.44 – Representação gráfica de vetores de deslocamentos, seção BB, Parte 1, com nível freático máximo e FRR= 1,50. ... 147 Figura 7.45 – Seção AA, Parte 2, considerada na análise com MEF-TRRC. ... 148 Figura 7.46 – Malha da seção AA, Parte 2, com elementos triangulares de 6 nós, utilizada nas análises. ... 148 Figura 7.47 – Distribuição de poro-pressões em kPa na seção AA, Parte 2, com Nível d’água mínimo... 149 Figura 7.48 – Distribuição de poro-pressões em kPa na seção AA, Parte 2, com Nível d’água crítico. ... 149 Figura 7.49 – Distribuição de poro-pressões em kPa na seção AA, Parte 2, com Nível d’água máximo. ... 149 Figura 7.50 – Distribuição de tensões normais efetivas horizontais, σ’x, em kPa, resultado da análise de tensões por elementos finitos, da Seção AA, Parte 2, com nível freático mínimo. ... 150 Figura 7.51 – Distribuição de tensões normais efetivas horizontais, σ’x, em kPa, resultado da análise de tensões por elementos finitos, da Seção AA, Parte 2, com nível freático crítico... 150
Figura 7.52 – Distribuição de tensões normais efetivas horizontais, σ’x, em kPa, resultado da análise de tensões por elementos finitos, da Seção AA, Parte 2, com nível freático máximo... 150 Figura 7.53 – Distribuição de tensões normais efetivas verticais, σ’y, em kPa, resultado da análise de tensões por elementos finitos, da Seção AA, Parte 2, com nível freático mínimo... 151 Figura 7.54 – Distribuição de tensões normais efetivas verticais, σ’y, em kPa, resultado da análise de tensões por elementos finitos, da Seção AA, Parte 2, com nível freático crítico. ... 151 Figura 7.55 – Distribuição de tensões normais efetivas verticais, σ’y, em kPa, resultado da análise de tensões por elementos finitos, da Seção AA, Parte 2, com nível freático máximo. ... 151 Figura 7.56 – Distribuição de tensões cisalhantes, τ xy, em kPa, resultado da análise de tensões por elementos finitos, da Seção AA, Parte 2, com nível freático mínimo... 152 Figura 7.57 – Distribuição de tensões cisalhantes, τ xy, em kPa, resultado da análise de tensões por elementos finitos, da Seção AA, Parte 2, com nível freático crítico. ... 152 Figura 7.58 – Distribuição de tensões cisalhantes, τ xy, em kPa, resultado da análise de tensões por elementos finitos, da Seção AA, Parte 2, com nível freático máximo. ... 152 Figura 7.59 – Representação gráfica de máximas deformações cisalhantes, resultado da análise de estabilidade, por elementos finitos, da Seção AA, Parte 2, com nível freático mínimo, FRR=FS=1,22. ... 153 Figura 7.60 – Representação gráfica de máximas deformações cisalhantes, resultado da análise de estabilidade, por elementos finitos, da Seção AA, Parte 2, com nível freático mínimo, FRR= 1,25. ... 154 Figura 7.61 – Representação gráfica de máximas deformações cisalhantes, resultado da análise de estabilidade, por elementos finitos, da Seção AA, Parte 2, com nível freático mínimo, FRR= 1,50. ... 154 Figura 7.62 – Representação gráfica de máximas deformações cisalhantes, resultado da análise de estabilidade, por elementos finitos, da Seção AA, Parte 2, com nível freático crítico, FRR=FS=1,07... 154 Figura 7.63 – Representação gráfica de máximas deformações cisalhantes, resultado da análise de estabilidade, por elementos finitos, da Seção AA, Parte 2, com nível freático crítico, FRR= 1,12. ... 155 Figura 7.64 – Representação gráfica de máximas deformações cisalhantes, resultado da análise de estabilidade, por elementos finitos, da Seção AA, Parte 2, com nível freático crítico, FRR= 1,25. ... 155 Figura 7.65– Representação gráfica de máximas deformações cisalhantes, resultado da análise de estabilidade, por elementos finitos, da Seção AA, Parte 2, com nível freático máximo, FRR=FS=1,03... 156 Figura 7.66 – Representação gráfica de máximas deformações cisalhantes, resultado da análise de estabilidade, por elementos finitos, da Seção AA, Parte 2, com nível freático máximo, FRR= 1,12. ... 156 Figura 7.67 – Representação gráfica de máximas deformações cisalhantes, resultado da análise de estabilidade, por elementos finitos, da Seção AA, Parte 2, com nível freático máximo, FRR= 1,25. ... 156 Figura 7.68 – Representação gráfica de vetores de deslocamentos, seção AA, Parte 2, com nível freático máximo e FRR= 1,25... 157 Figura 7.69 – Deformações cisalhantes máximas na Seção BB para FRR=FS=1,11 com nível d´água máximo. ... 159
Figura 7.70 – Deformações cisalhantes máximas na Seção BB para FRR=1,50 com
nível d´água máximo. ... 159
Figura 7.71 – Deformações cisalhantes máximas na Seção AA para FRR=FS=1,03 com nível d´água máximo. ... 160
Figura 7.72 – Deformações cisalhantes máximas na Seção AA para FRR=1,12 com nível d´água máximo. ... 160
Figura 8.1 – Estrutura do programa CRISP93... 164
Figura 8.2 – Estrutura do programa CRISP93 modificado. ... 164
Figura 8.3 – Situação considerada para um elemento. ... 169
Figura 8.4 - Parâmetros do modelo de Mohr-Coulomb usados nas análises... 169
Figura 8.5 - Diminuição de volume por diminuição imposta de poro-pressão. ... 170
Figura 8.6 - Aumento de volume por aumento de poro-pressão. ... 170
Figura 8.7 - Vetores de deformações por diminuição de poro-pressão. ... 171
Figura 8.8 - Vetores de deformações por aumento de poro-pressão. ... 171
Figura 8.9 - Valores de deformações por diminuição de poro-pressão. ... 172
Figura 8.10 - Valores de deformações por aumento de poro-pressão. ... 172
Figura 8.11 - Perfil da encosta adotado. ... 173
Figura 8.12 - Contorno de tensões verticais. ... 174
Figura 8.13 – Poro-pressões iniciais (a) e finais (b) obtidas no Seep/w... 174
Figura 8.14 - Malha de Elementos Finitos utilizada nas análises... 175
Figura 8.15 - Malha indeformada e deformada após variação de N.A... 176
Figura 8.16 - Vetores de deslocamentos... 176
Figura 8.17 – Deslocamentos horizontais. ... 177
Figura 8.18 – Hipótese de formação da superfície de deslizamento. ... 178
Figura I.1 – Representação gráfica dos deslocamentos e distorções da resultante no inclinômetro SI-97-1. ... 193
Figura I.2 – Representação gráfica dos deslocamentos e distorções da resultante e deslocamentos, com vetor de tendência, nos eixos “A” e “B” na profundidade crítica do inclinômetro SI-5... 194
Figura I.3 – Representação gráfica dos deslocamentos e distorções da resultante do inclinômetro SI-6... 195
Figura I.4 – Representação gráfica dos deslocamentos e distorções da resultante e deslocamentos, com vetor de tendência, nos eixos “A” e “B” na profundidade crítica do inclinômetro SI-7... 196
Figura I.5 – Direção e sentido da tendência de deslocamento na profundidade crítica no inclinômetro SI-8... 197
Figura I.6 – Direção e sentido da tendência de deslocamento na profundidade crítica no inclinômetro SI-97-1. ... 197
Figura I.7 – Direção e sentido da tendência de deslocamento na profundidade crítica no inclinômetro SI-97-2. ... 198
Figura I.8 – Deslocamento e velocidade com o tempo no inclinômetro SI-5. ... 198
Figura I.9 – Deslocamento e Velocidade de junho de 1988 a junho de 1992 no inclinômetro SI-7... 199
Figura I.10 – Deslocamento e velocidade no período de junho de 1988 a março de 1991 no inclinômetro SI-8... 199
Figura I.11 – Deslocamento e velocidade de janeiro de 1998 a agosto de 1999 no inclinômetro SI-97-1. ... 200
Figura I.12 – Deslocamento e velocidade de janeiro de 1998 a agosto de 1999 no inclinômetro SI-97-2. ... 200
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 2.1a – Classificação simplificada dos movimentos em encosta (VARNES, 1978)... 13 Tabela 2.1b – Classificação simplificada dos movimentos (VARNES, 1978). ... 13 Tabela 2.2 – Formação de nomes para escorregamentos de terra adaptado de TURNER e SCHUSTER, 1996. ... 16 Tabela 2.3 – Causas dos movimentos de massa (TERZAGHI, 1950; BRUNSDEN, 1979)... 17 Tabela 2.4 - Métodos de estabilização de encostas correlacionados com seus princípios básicos (KANJI, 1997). ... 18 Tabela 2.5 – Definição do provável poder de destruição das diferentes classes de velocidade de escorregamentos (CRUDEN e VARNES, 1996). ... 22 Tabela 2.6 – Exemplos de escorregamentos com os danos causados (TURNER e SCHUSTER, 1996). ... 23 Tabela 2.7 – Velocidade de movimento de massas coluvionares no seu estado natural (LACERDA, 2002)... 24 Tabela 2.8 – Velocidade de deslocamento de algumas massas coluvionares procedentes de escorregamentos recentes (LACERDA, 2002)... 25 Tabela 2.9 – Características de métodos utilizados na análise de estabilidade de taludes por equilíbrio limite (DUNCAN, 1996). ... 31 Tabela 3.1 – Resultados das análises... 53 Tabela 3.2 – Comparação percentual entre os métodos de análise de estabilidade de taludes... 56 Tabela 4.1 – Resultados dos ensaios de caracterização das amostras na região de estudo (FREITAS, 2004). ... 60 Tabela 4.2 – Resultados dos ensaios de cisalhamento direto das amostras na região de estudo (FEITAS, 2004). ... 60 Tabela 4.3 – Resultados dos ensaios de cisalhamento por torção das amostras na região de estudo (FREITAS, 2004). ... 61 Tabela 4.4 – Inclinômetros instalados na região no período de 1985 a 1992... 65 Tabela 4.5 – Piezômetros instalados na região de estudo no período de 1985 a 1992... 65 Tabela 4.6 – Medidores de nível d´água instalados na região de estudo no período de 1985 a 1992. ... 66 Tabela 4.7 – Inclinômetros instalados na região de estudo no período de 1993 a 1995. 67 Tabela 4.8 – Piezômetros instalados na região de estudo no período de 1993 a 1995... 67
Tabela 4.9 – Medidores de nível d´água instalados na região de estudo no período de
1993 a 1995. ... 68
Tabela 4.10 – Inclinômetros instalados na região de estudo no período de 1998 a 2000. ... 70
Tabela 4.11 – Piezômetros instalados na região de estudo no período de 1998 a 2000. 70 Tabela 4.12 – Medidores de nível d´água instalados na região de estudo no período de 1998 a 2000. ... 71
Tabela 4.13 – Profundidades e cotas dos piezômetros. ... 74
Tabela 4.14 – Profundidades dos medidores de nível d´água. ... 75
Tabela 5.1 – Instrumentação... 78
Tabela 5.2 – Profundidades da superfície de delizamento nos inclinômetros... 81
Tabela 5.3 – Inclinação do vetor de deslocamento em relação ao eixo A... 83
Tabela 5.4 – Estudo da velocidade do movimento na profundidade crítica no inclinômetro SI-7 (CRUDEN e VARNES, 1996). ... 86
Tabela 6.1 – Resultados dos ensaios de caracterização das amostras na região de estudo (FREITAS, 2004). ... 99
Tabela 6.2 – Resultados dos ensaios de cisalhamento direto das amostras na região de estudo (FREITAS, 2004)... 99
Tabela 6.3 – Resultados dos ensaios de torção das amostras na região de estudo (FREITAS, 2004). ... 99
Tabela 6.4 – Fatores de segurança pelo Método do Talude Infinito. ... 105
Tabela 6.5 – Fatores de segurança pelo Método de Spencer... 107
Tabela 6.6 – Fatores de segurança pelo Método do Talude Infinito. ... 111
Tabela 6.7 – Fatores de segurança pelo Método de Spencer... 112
Tabela 6.8 – Resultados de monitoramento e análises de estabilidade em encosta coluvionar (adaptado de LACERDA, 1997). ... 115
Tabela 7.1 – Parâmetros considerados nas análises com MEF-TRRC... 138
Tabela 7.2 – Resumo das análises de estabilidade por elementos finitos... 158
Tabela 8.1 - Parâmetros dos Solos Adotados. ... 173
Tabela II.1 – Estudo da velocidade do movimento na profundidade crítica no inclinômetro SI-5 (CRUDEN e VARNES, 1996). ... 201
Tabela II.2 – Estudo da velocidade do movimento na profundidade crítica no inclinômetro SI-6 (CRUDEN e VARNES, 1996). ... 202
Tabela II.3 – Estudo da velocidade do movimento na profundidade crítica no inclinômetro SI-8 (CRUDEN e VARNES, 1996). ... 203
Tabela II.4 – Estudo da velocidade do movimento na profundidade crítica no inclinômetro SI-97-1 (CRUDEN e VARNES, 1996)... 203
Tabela II.5 – Estudo da velocidade do movimento na profundidade crítica no inclinômetro SI-97-2 (CRUDEN e VARNES, 1996)... 204
LISTA DE SÍMBOLOS
A Área da superfície do contínuo
AD Amostra retirada com sondagem tipo Denison Af Área delimitada pela fatia
c Intercepto de coesão '
c Intercepto de coesão efetiva
c´f Intercepto de Coesão efetiva do solo na ruptura D Profundidade da camada da encosta
e Índice de vazios do solo
e0 Índice de vazios inicial do solo
E Módulo de Young
'
E Módulo de Young efetivo
f Tensão no nó do elemento
f Fluxo
F Função de ruptura
FRR Fator de redução de resistência ao cisalhamento FS
Fator de Segurança
FS2D1 Fator de segurança bidimensional da seção 1 FS2D2 Fator de segurança bidimensional da seção 2 FS2D3 Fator de segurança bidimensional da seção 3 FS3D Fator de segurança tridimensional
{ }
F Valores de tensões nos pontos e Gauss G Módulo de elasticidade transversalGs ou G Densidade real do grão
h Carga hidráulica
hp Carga piezométrica
H Probabilidade de ocorrência do fenômeno
i Gradiente hidráulico
IP Índice de plasticidade do solo
k Coeficiente de permeabilidade ou condutibilidade hidráulica K0 Coeficiente de empuxo no repouso
K0,nc Coeficiente de empuxo no repouso para solos normalmente adensados
L Largura da camada da encosta
m Matriz equivalente de Kronecker z
m. Altura do lençol freático MEF Método dos elementos finitos MNA Medidor de nível d’água
N (SPT) Índice de penetração do solo com a sondagem SPT
N (SPT) Média de Índices de penetração do solo com a sondagem SPT
NA Nível d’água
N Matriz de funções de interpolação
z y
x n n
n , , Componentes de um vetor normal à área da superfície dA ORBIG Oleoduto Rio-Baía de Ilha Grande
PZ Piezômetro
REDUC Refinaria de Duque de Caxias
RQD Índice de recuperação da rocha com a sondagem rotativa
Rs Risco específico
S Grau de saturação do solo
S Resistência ao cisalhamento efetiva do solo no centro da base da fatia
S ou τ Resistência ao cisalhamento do solo SI Inclinômetro, “slope indicator”
Sm ou τatuante Resistência ao cisalhamento mobilizada
SPT Ensaio de penetração com circulação de água “Satandard Penetration Test”
Sr Resistência ao cisalhamento disponível
t Tempo
TEBIG Terminal Baía de Ilha Grande
TN Terreno natural
TRRC Técnica de redução da resistência ao cisalhamento
TTSDD Técnica de tensões com superfície de deslizamento definida
u Deslocamento na direção x
ua Poro-pressão do ar
uw Poro-pressão de água w
v
u, , Componentes do vetor de deslocamento
v Deslocamento na direção y
V Vulnerabilidade
w Umidade
wL Limite de liquidez do solo wP Limite de plasticidade do solo
X, Y, Z Componentes de um vetor de forças internas
z Altura vertical da camada
β Ângulo de inclinação das camadas
β Comprimento da base da fatia
εx Deformação na direção x
εy
Deformação na direção y
εz Deformação na direção z
φ Ângulo de atrito interno do solo
φb Ângulo de atrito interno do solo com relação à sucção φ' Ângulo de atrito interno efetivo do solo
'f
φ Ângulo de atrito interno efetivo do solo na ruptura γ Peso específico aparente do solo
γd Peso específico aparente seco do solo
γw Peso específico da água
γxy
Deformação cisalhante nas direções x e y γxz Deformação cisalhante nas direções x e z γyz
Deformação cisalhante nas direções y e z
µ Viscosidade da água
ν Coeficiente de Poisson ν' Coeficiente de Poisson efetivo
θ Ângulo medido no eixo x positivo até a linha de aplicação da tensão normal
Θ Umidade volumétrica
σx Tensão normal total na direção x σy
Tensão normal total na direção y σz Tensão normal total na direção z
σn Tensão normal
'x
σ Tensão normal efetiva na direção x 'y
σ Tensão normal efetiva na direção y
'z
σ Tensão normal efetiva na direção z
3 2 1,σ ,σ
σ Tensões principais totais
´
´,
´, 2 3
1 σ σ
σ Tensões principais efetivas
´c
σ Tensão efetiva de confinamento
τxy
Tensão cisalhante nas direções x e y τxz Tensão cisalhante nas direções x e z τyz
Tensão cisalhante nas direções y e z
τeq Tensão cisalhante necessária para o equilíbrio τm Tensão cisalhante mobilizada
Ψ Ângulo de dilatância
1 INTRODUÇÃO
O movimento em encostas naturais representa um assunto de grande importância, sendo tema de inúmeros trabalhos de pesquisa intensificados no século XX. Isto se deve ao fato de que, em muitos casos, nas proximidades ou sobre a própria encosta, encontram-se habitações, vias, dutos ou qualquer outro elemento componente da infra-estrutura da região. A movimentação da encosta pode por em risco a segurança destes elementos e, em algumas situações, causar catástrofes de grandes dimensões.
Na região Sudeste do Brasil, o estudo aprofundado do movimento de encostas é muito relevante devido a sua topografia acidentada e altos índices pluviométricos com a existência de diversas construções e comunidades bem próximas ou em regiões de encosta sujeitas a movimentos de terra. Muitos casos de deslizamentos em encostas ocorrem por fatores naturais, contudo é importante considerar a ação do homem, como:
cortes ou escavações, cravações de estacas e modificações no nível freático, que podem levar a instabilidades dos maciços. Condições desfavoráveis de percolação de água também são causas freqüentes de deslizamentos de terra. A água diminui a estabilidade e contribui para a ruptura da massa de solo.
Assim como a verificação e monitoramento da dinâmica das áreas de encostas, é fundamental a investigação do subsolo ou da constituição destas encostas, do comportamento das águas subterrâneas e das precipitações.
A região, considerada neste estudo, localiza-se na Serra do Mar, região de Coroa Grande, Município de Itaguaí no Estado do Rio de Janeiro. A Serra do Mar se estende por aproximadamente 1500 km no litoral leste do Brasil, compreendendo os estados de Espírito Santo, Rio de Janeiro, São Paulo, Paraná e Santa Catarina.
O que motivou a pesquisa, nesta região específica de Coroa Grande, foi a existência de um oleoduto e a verificação, em 1985, de grandes movimentos de terra durante o período chuvoso. O duto foi construído em 1976 e a partir de 1985 fez-se necessário, tendo em vista a segurança na área, o monitoramento da região.
Como exemplo do perigo, que um eventual vazamento de óleo representa e as graves conseqüências por este provocadas, pode-se citar o acidente ocorrido em 18 de janeiro de 2000 com o duto PE-II, localizado na Baía de Guanabara, interligando a Refinaria Duque de Caxias (REDUC) à Ilha d’Água. Este incidente resultou no vazamento de mais de 1,2 milhões de litros de óleo e na completa interrupção do transporte do produto, acarretando elevados custos de paralisação de operação, além dos custos de reconstrução e danos ao meio ambiente (PETROBRÁS-COPPE/UFRJ- FINEP, 2001-2004). Não se encontra retratado na literatura técnica, um grande número de acidentes, devido, em grande parte, ao curto intervalo de tempo a partir do qual tais instalações petrolíferas existem. Com o crescente risco de grandes danos a oleodutos, existe, hoje, um consenso internacional no sentido de prevenir e minimizar os seus efeitos, considerando-se, principalmente, o impacto que tal acidente possa provocar à população e ao meio ambiente. Já no caso de deslizamentos de terra isoladamente, encontram-se inúmeras ocorrências relatadas em publicações da área. Aqui trata-se exclusivamente do estudo do comportamento geotécnico da massa coluvionar da encosta.
Esta tese apresenta os conceitos, levantamentos geotécnicos de campo, métodos e instrumentos de monitoramento envolvidos nos estudos de movimentos de encostas naturais com análise de resultados, assim como a verificação da estabilidade por métodos tradicionais de equilíbrio limite e de elementos finitos, sendo este também utilizado para obtenção da influência da variação do nível d’água nas deformações no maciço.
1.1 OBJETIVO
O objetivo desta tese é apresentar um estudo de estabilidade e de movimentos de uma encosta coluvionar e demonstrar a capacidade e eficiência do Método dos Elementos Finitos de realizar, e melhorar o entendimento, das análises propostas. No estudo fez-se uso de resultados de instrumentação de campo e parâmetros elásticos, de caracterização e de resistência do solo para a realização da análise experimental de
movimento, verificação de estabilidade por métodos tradicionais e, através do Método dos Elementos Finitos, execução da análise da estabilidade e da verificação da influência da variação do nível d’água nos deslocamentos da encosta.
1.2 METODOLOGIA
A seqüência metodológica, para atingir os objetos desta pesquisa, segue abaixo:
a) Delimitação da área de estudo;
b) Obtenção de levantamentos topográficos da região para estabelecer-se a geometria da encosta;
c) Pesquisa de informações e dados pretéritos, nos arquivos da PETROBRÁS - TRANSPETRO, sobre intervenções, investigações de subsolo e instrumentação com inclinômetros, medidores de nível d´água e piezômetros, da área selecionada e junto a SERLA, de dados de pluviometria na região e proximidades;
d) Medição de dados de inclinômetros, durante 2003 e 2004, na região de Coroa Grande;
e) Pesquisa de resultados de ensaios de laboratório de caracterização e de resistência ao cisalhamento: direto e por torção para o subsolo da região de Coroa Grande;
f) Seleção e análise de dados da instrumentação e dos ensaios de laboratório;
g) Com a geometria da encosta e partindo dos resultados da instrumentação com inclinômetros, no período estudado, determinação da superfície de deslizamento da encosta;
h) Classificação do movimento e identificação dos níveis freáticos: máximo e mínimo no período, assim como o nível mínimo crítico, a partir do qual se verifica-se a aceleração da movimentação da encosta, considerando os resultados dos inclinômetros e medidores de nível d´água, assim como dados de pluviometria;
i) Realização de análises de estabilidade por métodos de equilíbrio limite: Talude Infinito e Spencer, considerando a geometria da superfície natural da encosta e de deslizamento, parâmetros de resistência ao cisalhamento residual e de pico e os níveis d´água: mínimo, crítico e máximo;
j) Realização de estudos de estabilidade com o Método de Elementos Finitos partindo da geometria da superfície natural da encosta e de deslizamento, e valores de variação de nível freático. Duas técnicas são empregadas: de tensões com superfície de deslizamento definida e de redução da resistência ao cisalhamento.
l) Utilização da versão acadêmica do programa CRISP93 (BRITTO e GUMM, 1987) com apresentação de modelo de elementos finitos implementado para considerar a influência da oscilação do nível d’água nos deslocamentos em encostas naturais com aplicação ao caso.
1.3 ESTRUTURA DA TESE
O trabalho foi dividido em 9 capítulos. Segue a esta introdução o Capítulo 2, onde se realizou uma revisão bibliográfica, que enfatiza os principais conceitos referentes ao comportamento de encostas e sua análise com ênfase na situação do sudeste do Brasil. São abordados temas relativos a geomorfologia, movimentação de encostas naturais e análises de estabilidades por métodos tradicionais de equilíbrio limite.
No Capítulo 3 apresenta-se o Método dos Elementos Finitos e a possibilidade de sua utilização para análise de estabilidade de taludes. Duas técnicas são mostradas: a de tensões com superfície de deslizamento definida e a de redução da resistência ao cisalhamento. Um exemplo prático clássico é utilizado para verificar a eficiência dos métodos para o caso de um aterro, comparando-se os resultados com vários métodos tradicionais.
No Capítulo 4 é detalhada a situação real aqui estudada, considerando sua localização, característica geológico-geotécnica, histórico de intervenções e a instrumentação implantada no período de 1986 a 2004.
O capítulo 5 trata do monitoramento da encosta, com utilização de instrumentação direta e indireta para caracterização do movimento. Os dados obtidos são relativos a um período de 14 anos. Os resultados, suas análises e as conclusões são apresentados de acordo com as medições realizadas em inclinômetros, piezômetros e medidores de nível d’água. Os valores, componentes do estudo, foram obtidos através de pesquisa realizada em arquivo técnico da PETROBRÁS (GEOMECÂNICA, 1986 – 1992 e TECNOSOLO, 1985 – 2000). Dados de precipitações, e suas relações com resultados da instrumentação, também foram analisados. Informações sobre valores de índices de chuva foram fornecidas pela Superintendência Estadual de Rios e Lagos do Rio de Janeiro (SERLA, 1976 a 1993; SERLA 1, 1976 a 2000 e SERLA 2, 1976 a 2000).
Baseando-se na geometria da encosta (GEOMECÂNICA S.A., 1986-1992, TECNOSOLO, 1985-2000 e PETROBRÁS-COPPE/UFRJ-FINEP, 2001-2004), nos resultados da instrumentação nos períodos: de 1986 a 1999, obtidos neste trabalho, de 2000 a 2004, apresentados por FREITAS (2004) e em ensaios de laboratório (FREITAS, 2004), realiza-se no capítulo 6, a análise de estabilidade, por métodos tradicionais de equilíbrio limite, da encosta em Coroa Grande. Nas análises, são utilizados os métodos: de Talude Infinito e de Spencer, sendo, para o segundo, utilizado o programa SLOPE/W do pacote GEOSTUDIO (2004).
No Capítulo 7 apresenta-se a análise de estabilidade da encosta com o uso do Método de Elementos Finitos. Após geração das poro-pressões e do estado de tensões iniciais no maciço, faz-se uso de duas técnicas para determinação do Fator de Segurança: a Técnica de Tensões com Superfície de Deslizamento Definida e a Técnica da Redução da Resistência ao Cisalhamento. Para obtenção dos resultados das análises, apresentados considerando os dois procedimentos, foram utilizados os programas SEEP/W, SIGMA/W e SLOPE/W do pacote GEOSTUDIO (2004) e PHASE² (2005).
Para verificar-se a influência da oscilação do nível d’água nos deslocamentos do maciço, apresenta-se, no Capítulo 8, modelo implementado na versão acadêmica do programa CRISP93 (BRITTO e GUMM, 1987) com aplicação no Caso de Coroa Grande.
No capítulo 9 são mostradas as conclusões partindo-se dos resultados obtidos das análises e sugestões, de pesquisas futuras, para dar continuidade ao estudo sobre o assunto aqui abordado.
2 ANÁLISE DE ENCOSTAS NATURAIS
O presente capítulo tem por objetivos abordar: conceitos relativos à análise do comportamento de encostas naturais, procedimentos de monitoramento, classificação de movimentos e métodos de verificação de estabilidade por Equilíbrio Limite.
O estudo do comportamento de taludes, de uma forma geral, pode ser dividido em duas categorias: avaliação de estabilidade e estimativa do movimento. Estas categorias estão intimamente relacionadas e dois tipos diferentes de análises podem ser realizadas.
A análise de estabilidade de taludes é normalmente realizada com métodos de equilíbrio limite, apesar de ser possível, também, utilizar-se de método numérico, como é mostrado em SMITH e GRIFFITHS (2004). As análises por equilíbrio limite podem ser implementadas somente com informações sobre a resistência do solo e sobre a geometria do talude, sem considerar o comportamento tensão-deformação. Obviamente os resultados obtidos não fornecem informações sobre o movimento do talude.
Os movimentos em taludes são normalmente analisados por métodos numéricos, que atualmente são amplamente utilizados em geotecnia, sendo o método dos elementos finitos o mais utilizado. A compreensão do comportamento tensão- deformação e dados relativos a resistência do solo são necessários para este tipo de análise.
Na abordagem relativa a formação geológica, considera-se aqui, principalmente, a situação das encostas do sudeste de Brasil.
2.1 ENCOSTAS NATURAIS
As encostas naturais caracterizam-se por superfícies inclinadas que unem áreas de diferentes altitudes. De acordo com sua formação geológica e inclinação, as encostas comportam-se de maneiras diferentes no decorrer do tempo, quando sujeitas a interferências externas, como por exemplo, a ação da água. Para o caso da região Sudeste do Brasil, é verificado nas encostas, um perfil composto de: rocha nas camadas mais profundas até o solo residual na superfície e, em muitas situações, verifica-se presença de colúvio e talus.
2.1.1 Solos Residuais
Solo residual é classicamente chamado todo solo proveniente do intemperismo
“in situ” de uma rocha matriz, o qual não foi removido de seu local de origem por algum agente transportador, como: água, vento ou ação da gravidade.
Pode-se afirmar que a espessura de um perfil de solo residual depende da intensidade dos processos associados ao intemperismo. Nas regiões tropicais, onde temperaturas elevadas associadas a chuvas intensas, favorecem ao ataque químico, como conseqüência, é comum encontrar perfis de solos residuais mais profundos.
DEERE e PATTON (1971) e VARGAS (1971), propõem que o perfil seja dividido em zonas de intemperismo. A Figura 2.1 apresenta um perfil típico de solo residual do Sudeste do Brasil.
Observa-se que em perfil típico de solo residual, à medida que o subsolo evolui, as partículas e a estrutura sofrem progressivas modificações em conseqüência dos intemperismos: físico e químico. Os minerais primários, originários da rocha matriz, são, progressivamente, transformados em minerais secundários, restando apenas os mais resistentes. Alguns minerais, recém formados, são removidos por processo de lixiviação, vindo a precipitar-se nos horizontes subjacentes. Isto resulta em uma continua gradação nas propriedades físicas, mecânicas e na textura do solo ao longo do perfil.
HUMUS HORIZONTE 1
(ZONA SUPERIOR)
ARGILA OU AREIA SATURADA, VERMELHA, CASTANHA OU AMARELA
(SOLO RESIDUAL MADURO)
1 / 10 m
ARGILA OU AREIA ARGILOSA, DURA OU RIJA, VERMELHA, CASTANHA OU AMARELA EVENTUALMENTE COM VESTÍGIOS DA ESTRUTURA ORIGINAL HORIZONTE II
(HORIZONTE INTERMEDIÁRIO)
1 / 15 m HORIZONTE III (SAPRÓLITO)
1 / 70 m HORIZONTE IV (ROCHA ALTERADA)
1 / 100 m HORIZONTE V
SOLO ARENOSO OU ARGILOSOS RESIDUAL, CONTENDO FRAÇÕES GROSSEIRAS E VESTÍGIOS DE ESTRUTURA ORIGINAL, EVENTUALMENTE COM MATACÕES OU CAMADA DE ROCHA DECOMPOSTA.
ROCHA ALTERADA, MATACÕES OU CORPOS DE ROCHA QUASE SÃ MISTURADOS COM SOLO ARENOSO OU ARGILOSO.
ROCHA SÃ EVENTUALMENTE FRATURADA
A
B
HORIZONTES PEDOLÓGICOS
SOLOS RESIDUAIS SAPRÓLITOROCHA SÃ OU DECOMPOSTA
Figura 2.1 – Perfil típico de intemperismo na região Sudeste do Brasil, em rocha granítica (VARGAS, 1974).
A mineralogia do perfil depende do tipo da rocha matriz e do grau de intemperismo. Para rochas ígneas e metamórficas ácidas brasileiras, os dados da literatura indicam o quartzo, feldspatos e as micas como os minerais mais comuns na fração grossa. Na fração argila, o mineral argílico predominante é a caolinita. Algumas rochas podem conter minerais argílicos expansivos, que persistirão nas camadas menos desenvolvidas de solos residuais, denominadas camadas residuais jovem, podendo provocar expansão quando o solo for induzido a alívio de tensão e umedecimento.
A Figura 2.2 indica o comportamento de ensaio SPT, umidade, granulometria e peso específico com a profundidade, para um solo residual em Pernambuco (COUTINHO et al., 1998).
ROCHA Biotita Gnaisse fraturada Areia siltosa, preservando características estruturais da rocha matriz
RESIDUAL JOVEM RESIDUAL MADURO Arg. siltosa Residual trans.
DESCRIÇÃO 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
PROFUNDIDADE (m)
N (SPT) 0 15 30 45
BH-2
0 25 50 75 100 RECUPERAÇÃO (%)
RQD (%)
UMIDADE (%) 0 10 20 30 40 50 60
PERDA D'ÁGUA
VAZÃO (l/min/m)
PRESSÃO (kPa)x102
FRATURA / m
1 2 3 4 5 6
w
wL
wP
GRANULOMETRIA (%)
AREIA ARGILA
SILTE
0 20 40 60 80 100 2,6 2,7 2,8 2,9 GS
30 20 10 31 11
ROCHA MEDIANAMENTE A
EXTREMAMENTE FRATURADA
0 5 10 15 20
24,8 - 26,0 24,7 - 25,3 25,9 - 27,1 PESO ESPECÍFICO γ (kN/m )3
Figura 2.2 – Variação de algumas propriedades índices de um solo residual de Pernambuco (COUTINHO et al., 1998).
A Figura 2.3 apresenta um perfil de solo residual de gnaisse do Rio de Janeiro.
Os dados desta figura foram obtidos a partir de resultados de ensaios de cisalhamento direto realizados por MACARINI (1980) em condições inundadas. A resistência τ considerada neste perfil é relativa a tensão normal total devido ao peso da terra. Neste caso observa-se a tendência de aumento da máxima resistência com a diminuição do índice de vazios. O mesmo ocorre com o limite de liquidez. Todavia, é importante ressaltar que estas amostras não apresentam limite de plasticidade, portanto, é questionável se esta última tendência esteja associada à plasticidade do solo.
Com respeito aos parâmetros de resistência, o ângulo de atrito aumenta com a profundidade, ou seja, aumenta com a redução do índice de vazios. O intercepto de coesão apresenta comportamento variado, sem tendência definida. Estes valores são referentes a tensões normais compreendidas no intervalo de 50 a 500 kPa num total de quatro ensaios por envoltória, definida pelo ajustamento de uma reta.
Além dos aspectos físicos, fatores mineralógicos podem ter grande influência nas propriedades mecânicas dos solos residuais. Solos com características físicas e granulométricas semelhantes tendem a ser mais compressíveis e menos resistentes à medida que aumenta o teor de mica em suas frações (SANDRONI, 1991).
Pontos vasados = valores individuais Pontos cheios = médias φ' (º)
Profundidade (m)
e0 τ (kPa) c' (kPa)
25 30 35 40
30 35 40 45 0,5 1 1,5 0 100 200 30020 40 60 0
2 4 6 8 10 12 14 16
Coesão Âng. atrito
WL(%)
Figura 2.3 – Relação entre resistência, índice de vazios e limite de liquidez para um solo
residual de gnaisse do Rio de janeiro (MACARINI, 1980).
2.1.2 Solos Coluvionares e Talus
O intemperismo químico e físico da rocha produz a desagregação das partículas que se acumulam na superfície da terra, sujeitas a processos erosivos que as removerão.
Em locais de topografia acentuada, a força gravitacional age nestas partículas desagregando-as e removendo-as para superfícies de menores altitudes e com declividades menos acentuadas, muitas vezes para a base das montanhas, formando os colúvios e talus (TURNER e SCHUSTER, 1996).
a) Colúvio: O termo colúvio ou material coluvionar é utilizado para referir-se aos depósitos que foram transportados por forças gravitacionais (ver Figura 2.4). As características dos materiais coluvionares variam de acordo com as características da rocha matriz, do clima em que ocorreu o intemperismo e do transporte das partículas desagregadas. Geralmente o colúvio é fracamente estratificado e consiste de uma mistura heterogênea de solo e fragmentos de rocha, com dimensões que variam de partículas de argila até blocos de rochas com diâmetros de mais de um metro.
RODRIGUES (2005) realizou uma pesquisa detalhada, analisando 43 casos históricos de colúvios no Brasil, e propôs uma classificação considerando: formação, características e propriedades geotécnicas.
Os depósitos coluvionares são normalmente encontrados nas partes mais inferiores das encostas e, em muitos casos, são escavados para construção de vias de
transporte. O resultado destes cortes é a instabilidade das encostas, por isto, estas situações requerem manutenção e monitoramento da região.
Em clima tropical úmido, o rápido intemperismo químico propicia a formação de uma profunda camada de solo residual. A fluência em encostas formadas por estes solos provoca mudança em suas características, transformando-os em solos coluvionares.
Massa escorregada totalmente desagregada
Rocha Deslizamento em solo
residual/saprólito
Figura 2.4 – Colúvio proveniente de deslizamento, com total desagregação do solo residual (LACERDA, 2002).
b) Talus: O termo talus é de origem francesa e significa talude externo de uma fortificação, originalmente referindo-se ao formato da estrutura. Atualmente a palavra talus é utilizada para descrever o próprio material, sendo este o depósito, que fora transportado pela gravidade, composto predominantemente de grandes fragmentos de rocha (TURNER e SCHUSTER, 1996).
2.1.3 Comportamento na Ruptura dos Solos Residuais e Coluvionares
Na maioria dos casos envolvendo deslizamentos de encostas em solos residuais, a ruptura ocorre de forma brusca. Muitas vezes, nenhum indício de movimento é observado, ao contrário do que ocorre nos colúvios saturados.
Em conseqüência disso, muitos acidentes são registrados no Brasil em encostas de solos residuais (VARGAS, 1999). Isto é conseqüência do comportamento tensão- deformação destes solos. Para condições de tesões no campo, estes materiais alcançam a resistência máxima para pequenas deformações, com súbita redução após este pico. Nos solos coluvionares, a condição de ruptura é alcançada após grandes deformações
(Figura 2.5), o que explica os grandes movimentos que se observa nos colúvios antes de ocorrer um deslizamento de grandes proporções (SOUZA NETO et al, 2001).
Colúvio Solo residual
Resistência ao cisalhamento
Deformação axial Deformação axial
Resistência ao cisalhamento
Figura 2.5 – Comportamentos típicos τ (tensão cisalhante) x ε (deformação axial) para solos residuais e coluvionares para condições de tensões no campo.
2.2 MOVIMENTAÇÃO DE ENCOSTAS
O estudo de movimento de massas, especialmente deslizamento de terra, ocupa especialistas há séculos. Durante este tempo, pesquisas sobre a forma e o processo, que governa os deslocamentos de materiais, vem crescendo consideravelmente e, com isso, a variedade e complexidade de movimentos dos solos vão tornando-se mais compreensíveis.
2.2.1 Classificação dos Movimentos em Encostas
A classificação dos deslizamentos de terra e movimentos de massa em encostas não é tarefa fácil, pois a combinação de materiais, formas e agentes responsáveis pelos movimentos produzem condições para tipos diferentes de deslocamentos.
Na literatura especializada existem numerosas classificações, seguindo critérios variados, destas, a de maior clareza e objetividade, de acordo com este autor, é a classificação de deslizamentos apresentada por VARNES (1978), cujo critério enfatiza o tipo do movimento e o tipo do material: solo ou rocha. Qualquer movimentação pode
