VII ENEC Rio de Janeiro - RJ 3 a 6 de abril de 2018

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3 a 6 de abril de 2018

ANÁLISE DA ESTABILIDADE DE UMA ENCOSTA:

ESTUDO DE CASO NA COMUNIDADE DO BARRO VERMELHO

Graziela Santos Sousa ([email protected])

Caíque Lima de Santana ([email protected])

Resumo: Nas cidades brasileiras, os processos de instabilização de encostas devido às ocupações desordenadas estão entre os

fenômenos mais frequentes relacionados a desastres naturais. A partir do conhecimento sobre os impactos negativos que podem ser gerados no âmbito social, devido aos deslizamentos de encostas, nota-se a necessidade da realização de estudos a cerca desses processos de instabilização. Nesse sentido, o presente trabalho teve por fi nalidade realizar uma análise determinística sobre uma encosta, considerada de alto risco, localizada na comunidade Barro Vermelho, no bairro Teotônio Vilela, na cidade de Ilhéus/BA, próximo a edifi cações residenciais. Para tanto, através do software Slide, da ROCSCIENCE, e da utilização dos métodos de Bishop simplifi cado e de Fellenius para obtenção dos fatores de segurança, realizou-se uma sucessão de análises de estabilidade por meio de variações na coesão e no ângulo de atrito, determinando qual desses parâmetros geotécnicos mais infl uenciou percentualmente na estabilidade do maciço. Além disso, comparou-se o efeito da saturação desse solo, com uma sobrecarga aplicada na crista do talude objetivando analisar qual dessas situações tornaria o mesmo mais suscetível ao rompimento. A partir das análises realizadas, notou-se que a variação do parâmetro ângulo de atrito apresenta uma maior infl uência percentual no fator de segurança do maciço quando comparado à coesão. Além disso, a saturação do solo representa uma situação mais crítica em relação ao carregamento na crista do talude, ao ponto que as duas situações combinadas geram uma possibilidade alta de ruptura da encosta.

Palavras-chave: Estabilidade de taludes. Estudo determinístico. Fator de segurança.

INTRODUÇÃO

A ruptura de encostas e taludes é uma problemática corriqueira em locais onde existam condições que promovam, ou mesmo potencializem, certo grau de instabilidade no maciço de solo. Essa instabilidade, com consequente colapso do maciço, é devida a fatores naturais e também a processos gerados a partir de interven-ções humanas.

Os deslizamentos de encostas em áreas urbanas estão associados intimamente ao crescimento popula-cional (SCHUSTER E HIGHLAND, 2007). A forma desordenada que a população está crescendo tem oca-sionado inúmeros problemas socioambientais, como a multiplicação de bairros com infraestrutura defi ciente, habitações situadas em áreas de risco e alterações nos sistemas naturais.

No que diz respeito à ação antrópica, existem duas grandes vertentes em referência às intervenções em taludes. A primeira é a modifi cação irresponsável dos arredores, ou mesmo do próprio maciço, tal que se altere as condições necessárias para mantê-lo estável. A segunda refere-se à intervenção com o objetivo de melhorar as condições de estabilidade e segurança.

Dyminsky (2007) menciona que os desastres relacionados à ruptura de um talude, geralmente, tomam grandes proporções. Visto que, os deslizamentos em áreas de risco, além de possibilitarem perdas de vidas hu-manas, podem gerar elevados custos.

Nas cidades brasileiras, os processos de instabilização de encostas devido a ocupações desordenadas estão entre os fenômenos mais frequentes relacionados a desastres naturais, sobretudo nas encostas ocupadas por assentamentos, favelas, vilas e loteamentos, estando geralmente associados a eventos pluviométricos in-tensos e prolongados, comuns nos períodos chuvosos, e, principalmente, à falta de infraestrutura urbana

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(TO-A partir do conhecimento sobre os impactos negativos que podem ser gerados no âmbito social, devi-do aos deslizamentos de encostas, nota-se a necessidade de se realizar mais estudevi-dos a cerca devi-dos processos de instabilização, com o intuito de conhecer não só as fontes de instabilidade, como também mapear o compor-tamento de um maciço de solo com base em variações de alguns dos parâmetros que influenciam na estabili-dade do mesmo.

Nesse sentido, o presente trabalho teve por finalidade estudar uma encosta, considerada de alto risco, segundo Franco (2008), localizada na comunidade Barro Vermelho, no bairro Teotônio Vilela, na cidade de Ilhéus/BA, próximo a edificações domiciliares. Esse estudo teve como objetivo constatar qual dos parâmetros considerados, ângulo de atrito e coesão do solo, influenciaria mais significativamente na estabilidade do ma-ciço através do calculo do fator de segurança utilizando dois métodos distintos, o de Bishop simplificado e o de Fellenius. Além disso, verificar os valores do fator de segurança calculados para essas variações com o ma-ciço de solo totalmente saturado e com uma sobrecarga distribuída no topo. Ambas as situações são passiveis de ocorrer graças à elevada taxa pluviométrica na região e a possíveis construções no topo da encosta, respec-tivamente.

1. METODOLOGIA

1.1 Descrição da área de estudo

A análise de estabilidade foi realizada a partir de um talude, situado na cidade de Ilhéus, na Bahia, no bairro Teotônio Vilela, em uma comunidade conhecida como Barro Vermelho. A Figura 1 (a) indica o zonea-mento dessa área de risco, onde a linha laranja delimita um setor de risco alto, o ponto em vermelho represen-ta um local de risco muito alto e a linha marrom mostra onde foi realizado o corte do perfil. Em (b) norepresen-ta-se a existência de ocupações subnormais localizadas no pé do talude. Essas, ocupadas predominantemente por po-pulação de baixa renda com ausência de infra-estrutura básica, se atingidas por um possível deslizamento de terra, ocasionariam perdas materiais e de vidas humanas.

Figura 1. (a) Zoneamento da área de risco da comunidade Barro Vermelho (b) Corte do terreno atrás das casas localizadas na comunidade Barro Vermelho

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A partir do perfil topográfico obtido do trabalho de Franco (2008), extraiu-se as coordenadas dos pon-tos notáveis e delineou-se o talude no software Slide. Nele, como pode ser visto na Figura 2, em uma distância de 20 m do início do perfil tem-se uma mudança íngreme no terreno chegando a uma cota de 30 m. A encosta apresenta um comprimento de 51,3 m, uma altitude mínima de 9 m e máxima de 37 m, totalizando uma am-plitude de 28 m.

Figura 2.

Perfil topográfico do Barro Vermelho

Fonte: FRANCO, 2008.

A análise textural da amostra coletada no Horizonte C (Figura 3), obtida através de ensaios na pesquisa de Franco (2008), está indicada na Tabela 1. A partir dela, constatou-se que o solo é predominantemente are-noso com uma quantidade considerável de finos.

Tabela 1. Análise textural da amostra de solo

Material % Horizonte C

Areia 58,3

Argila 9,8

Silte 31,8

Fonte: Adaptado de Franco, 2008.

1.2 Métodos de análise da estabilidade

Utilizou-se o software SLIDE versão 6.0 do ROCSCIENCE, um programa 2D de estabilidade abran-gente para todos os tipos de solos que baseia-se nos métodos de “equilíbrio-limite”. Os métodos escolhidos para analisar o comportamento da encosta em estudo foram o Bishop Simplificado e o de Fellenius, nos quais admite-se que a linha de ruptura seja um arco de circunferência e a massa de solo é subdividida em lamelas, como indica a Figura 3 (MASSAD, 2010).

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Figura 3. Representação esquemática das forças atuantes em uma lamela Fonte: MASSAD, 2010.

O equilíbrio de forças envolve o a força Peso (P), as poropressões atuantes na lamela (u) e as forças E e X, que atuam na face direita. Ainda existe a força T, que mede a resistência mobilizada e a força N, que é a normal atuante na base da lamela.

No Método de Fellenius, faz-se o equilíbrio das forças na direção da normal à base da lamela e o fator de segurança pode ser obtido através da Equação 1.

(Eq. 1) Onde,

u – Poropressão média na base da fatia; c’ – Coesão efetiva do solo;

ϕ’ – Ângulo de atrito efetivo do solo; l – Comprimento da base de uma lamela; Δx – Largura da fatia;

θ – Ângulo que a força Peso faz com a Normal.

Já no Método de Bishop Simplificado, o equilíbrio das forças é feito na direção vertical. O fator de se-gurança é calculado por um processo iterativo, onde arbitra-se um valor inicial de para a Equação 2 e se obtém um valor até atingir a precisão desejada.

(Eq. 2)

O método de Fellenius pode gerar graves erros, pelo tratamento que dá as pressões neutras, pois essas atuam também nas faces entre lamelas que é a direção de equilíbrio das forças. Desse modo, pressões neutras causam valores da força normal negativos, que são contados como nulos nos cálculos (MASSAD, 2010).

Aspirando analisar a influência da variação dos parâmetros geotécnicos de resistência do solo no coefi-ciente de segurança, fez-se uma sucessão de análises de estabilidade no perfil topográfico da encosta. À prio-ri, estudou-se a alteração percentual do fator de segurança na variação do ângulo de atrito (ϕ) e da coesão (c’),

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alterando um parâmetro por vez e deixando os demais constantes. Para tal, considerando o solo predominan-temente aresono e baseando-se nos valores típicos de peso específico e ângulo interno de areias relatados por Pinto (2006), adotou-se para esses parâmetros, respectivamente, 18 kN/m³ e 30º. Como o solo apresenta apro-ximadamente 10% de argila em sua composição, estimou-se que esse possui um valor baixo de coesão e ado-tou-se para o mesmo 20 kPa.

Em seguida, submeteu-se o solo a um carregamento1_{de 10 e 20 kPa, onde analisou-se sua estabilidade}

para todas as variações paramétricas anteriores. Além disso, para estudar a influência do nível de água no fator de segurança, optou-se por elevá-lo até a crista do talude, ou seja, saturá-lo. Por fim, combinou-se a maior so-brecarga com a elevação do nível de água e explorou-se os possíveis resultados. Todas as análises foram cal-culadas pelos dos dois métodos citados anteriormente.

2. RESULTADOS E DISCUSSÃO

2.1 Variação dos parâmetros geotécnicos

A verificação da estabilidade pela variação dos parâmetros geotécnicos foi efetuada com base no perfil natural da encosta, considerando a geometria mais crítica do maciço. Os dados obtidos das análises com varia-ções do ângulo de atrito e coesão estão dispostos na Tabela 2.

Tabela 2. Coeficientes de segurança obtidos com a variação do ângulo de atrito e coesão do solo

Peso epecifico

(kN/m³) Ângulo de atritointerno (º) Coesão(kPa) _{Bishop (FS)} Método _{Fellenius (FS)}

18 30 20 1,652 1,490 18 33 20 1,825 1,648 18 36 20 2,010 1,811 18 39 20 2,209 1,985 18 30 30 1,786 1,637 18 30 35 1,853 1,708 18 30 40 1,920 1,778 18 30 45 1,987 1,848 18 30 50 2,055 1,918 18 30 100 2,723 2,607

Fonte: Acervo dos autores.

Esses resultados demonstram que, dentre os referidos parâmetros geotécnicos, o ângulo de atrito apre-senta maior influencia na estabilidade da encosta, com variações percentuais menores resultando em maiores fatores de segurança, ou seja, maior estabilidade. Os dados também ratificam a teoria no que diz respeito ao caráter mais conservador do método de Fellenius em comparação com o de Bishop simplificado. Nesta aná-lise, esse conservadorismo é responsável por gerar valores menores que os obtidos no segundo método. Os percentuais das variações de ambos os parâmetros geotécnicos, bem como dos fatores de segurança obtidos, constam na Tabela 3.

1_{Valores adotados de carga vertical em edifícios usuais baseados nas notas de aula do Prof. Gerson Moacyr Sisniegas Alva, da}

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Tabela 3. Variações percentuais do coeficiente de segurança com a variação paramétrica

Variação do ângulo

de atrito (%) _{Bishop (FS)}Variação do FS (%) _{Fellenius (FS)} Variação da coesão (%) _{Bishop (FS)}Variação do FS (%)_{Fellenius (FS)}

- - - - 10 10,47 10,09 16,67 3,75 4,34 10 10,14 9,89 14,29 3,62 4,1 10 9,90 9,61 12,5 3,49 3,94 11,11 3,42 3,79 100 32,51 35,92

Esses dados percentuais facilitam a visualização da maior influência do ângulo de atrito. Pois, para su-cessivos incrementos de cerca de 10% no valor do ângulo de atrito obtiveram-se, para ambos os métodos, va-riações crescentes, de aproximadamente 10% no valor do fator de segurança, o que significa um aumento na estabilidade da encosta. Em contrapartida, para incrementos percentuais maiores que 10% no valor da coesão obtiveram-se menores variações no fator de segurança, ainda significando aumento da estabilidade, porém de uma forma menos significativa que a obtida para o primeiro caso.

Em termos totais, um incremento 30% no ângulo de atrito, gerou um aumento de aproximadamente 33 % no fator de segurança em ambos os métodos. Enquanto isso, para um aumento de 233% na coesão, observou-se um acréscimo percentual de, aproximadamente, 53% pelo método de Bishop e 60% pelo método de Fellenius. 2.2 Sobrecarga sobre a crista da encosta

A modelagem do perfil com introdução de sobrecarga deveu-se a tentativa de simular a situação em que fossem construídos edifícios domiciliares, de um a dois pavimentos, na crista da encosta, com cargas médias distribuídas de 10 kPa e 20 kPa, respectivamente. A análise foi efetuada a partir das mesmas variações dos pa-râmetros geotécnicos estudados anteriormente. Ambas as sobrecargas foram dispostas como exemplificado na Figura 4, cujos eixos estão com unidades em metros.

Figura 4.

Sobrecarga de 10 kPa aplicada à crista da encosta

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Os resultados obtidos para os fatores de segurança constam nas Tabelas 4 e 5, seguintes: Tabela 4. Coeficientes de segurança obtidos com sobrecarga de 10 kPa

Peso específico

(kN/m³) Ângulo de atrito interno (º) Coesão (kPa) Bishop (FS) Método Fellenius (FS)

18 30 20 1,616 1,457 18 33 20 1,786 1,604 18 36 20 1,966 1,762 18 39 20 2,162 1,932 18 30 30 1,746 1,595 18 30 35 1,811 1,665 18 30 40 1,876 1,734 18 30 45 1,941 1,803 18 30 50 2,006 1,872 18 30 100 2,685 2,537

Tabela 5. Coeficientes de segurança obtidos com a sobrecarga de 20 kPa

(kN/m³) Ângulo de atrito interno (º) Coesão (kPa) Bishop (FS) Método Fellenius (FS)

18 30 20 1,587 1,426 18 33 20 1,754 1,570 18 36 20 1,932 1,725 18 39 20 2,125 1,892 18 30 30 1,712 1,559 18 30 35 1,775 1,626 18 30 40 1,838 1,693 18 30 45 1,901 1,760 18 30 50 1,964 1,827 18 30 100 2,596 2,472

A redução verificada nos fatores de segurança representa perda na estabilidade geral da encosta, com pro-gressividade quando se aumenta a carga aplicada de 10 kPa para 20 kPa. Esse comportamento já era esperado, conforme indicação teórica. Segundo Franco (2008), com aumento da sobrecarga num determinado maciço de solo, maior a carga suportada por suas partículas e mais suscetível à instabilidade estará o sistema como um todo. 2.3 Saturação do maciço

A ideia de verificar o comportamento da encosta na condição de saturação completa surgiu da tentativa de simular a ocorrência de chuvas intensas e prolongadas, como acontece na região sul da Bahia. Os dados ob-tidos da análise mostraram que a saturação do solo gera uma perda mais acentuada na estabilidade da região analisada, quando comparada com as análises efetuadas para o perfil sobrecarregado, apresentando fatores de

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Tabela 6. Coeficientes de segurança obtidos com a saturação do solo

(kN/m³) Ângulo de atrito interno (º) Coesão (kPa) _{Bishop (FS)} Método _{Fellenius (FS)}

18 30 20 1,073 1,028 18 33 20 1,192 1,140 18 36 20 1,320 1,259 18 39 20 1,456 1,387 18 30 30 1,135 1,097 18 30 35 1,166 1,131 18 30 40 1,197 1,165 18 30 45 1,229 1,199 18 30 50 1,260 1,233 18 30 100 1,575 1,565

Considerando que o fator de segurança indica rompimento do maciço de solo para valores menores ou iguais a um, como preconizado teoricamente, tem-se que dos resultados obtidos da Tabela 6, as duas primeiras situações, tanto para variação da coesão, quanto do ângulo de atrito, apresentam valores do fator de segurança muito próximos do estado de rompimento considerado. A presença de água entre as partículas dos sólidos foi responsável pela significativa perda de estabilidade do maciço analisado, o que significa que para a condição de chuvas prolongadas, a estabilidade da encosta fica comprometida ao passo que se aumenta a probabilidade de ocorrer deslizamentos de solo na área estudada.

Das pesquisas já apresentadas por Pinto (2017), a elevação do nível de água apresenta maior influên-cia na instabilização de taludes quando comparada com o fator geométrico da mesma. Como complemento às pesquisas do referido autor, tem-se, a partir desse estudo, a verificação de que a presença de água também se configura como fator de maior influencia na estabilidade, quando comparada, isoladamente, com o aumento da sobrecarga relativa a construções de pequeno porte.

2.4 Saturação do solo com sobrecarga

Após as evidências a cerca da maior influência da condição saturada frente à sobrecarga, verificou-se o desempenho desse maciço a partir de uma modelagem combinada desses dois fatores, saturação e sobrecarga de 20 kPa, analisando as mudanças geradas no fator de segurança da encosta. Os resultados obtidos foram ain-da mais críticos, com apresentação de fatores de segurança menores que os obtidos para as situações isolaain-das da ocorrência de ambas as situações, conforme indica a Tabela 7.

Tabela 7. Coeficientes de segurança obtidos da combinação da saturação do solo e sobrecarga de 20 kPa

(kN/m³) Ângulo de atrito interno (º) Coesão (kPa) _{Bishop (FS)} Método_{Fellenius (FS)}

18 30 20 1,062 1,013 18 33 20 1,180 1,123 18 36 20 1,307 1,241 18 39 20 1,442 1,368 18 30 30 1,122 1,079 18 30 35 1,152 1,112

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(kN/m³) Ângulo de atrito interno (º) Coesão (kPa) Bishop (FS) MétodoFellenius (FS)

18 30 40 1,183 1,144

18 30 45 1,213 1,177

18 30 50 1,243 1,210

18 30 100 1,548 1,533

Os resultados expressos na Tabela 7 mostram um comportamento ainda mais crítico, em termos de esta-bilidade do maciço, que às análises efetuadas nos casos anteriores. Sendo que, para valores de ângulo de atrito de 30º e coesão de 20 kPa, segundo Fellenius, o solo se encontra na condição mais próxima de ruptura, com fator de segurança alcançando 1,013. Nessa situação os danos seriam ainda mais desastrosos devido à presença de edifícios domiciliares no alto da encosta, podendo ocasionar a perda não só de bens materiais, como tam-bém de vidas humanas.

Notou-se que no primeiro momento, onde somente variou-se os parâmetros geotécnicos, a diferença percentual entre os métodos de Fellenius e Bishop simplificado, se apresentava na ordem de 10%. Quando sa-turou-se o corpo do talude, essa diferença diminuiu consideravelmente, a ponto de na última variação, onde o ângulo de atrito valia 30º e a coesão foi elevada à 100 kPa, o método de Fellenius apresentou uma diferença no coeficiente de segurança de 0,97% em relação ao Bishop. Isso indica que, como já mencionado em literatura, a escolha do método deve levar em consideração a limitação do mesmo, analisando qual se adéqua à configu-ração topográfica e à situação do nível de água que o talude se encontra.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

A partir das analises efetuadas, constatou-se que apesar da coesão ser um parâmetro que tem importante significado na resistência ao cisalhamento do solo, se comparado à influência do ângulo de atrito nos valores do fator de segurança do maciço, seu percentual é muito inferior. Além disso, notou-se que um nível de água elevado, ou seja, para um período de grande incidência chuvosa, a estabilidade do talude é comprometida de forma muito mais visível do que para a aplicação de pequenas cargas verticais distribuídas no topo do talude. Ou seja, se ocorresse a construção de edifícios usuais de um ou dois pavimentos no talude, esse estaria menos suscetível ao rompimento do que na situação anterior. Contudo, a ocupação desordenada da sua crista por ha-bitações, provavelmente causaria uma diminuição muito considerável do fator de segurança, pois para cargas com amplitudes elevadas, essa influência se apresentaria mais significativa.

No tocante à diferença percentual entre os valores calculados através dos dois métodos de obtenção do fator de segurança, o de Bishop simplificado e o de Fellenius observou-se que a priori, apresentavam uma variação em torno de 10%, ao passo que quando o solo encontrou-se saturado, essa diferença diminuiu em decorrência das limitações do último método citado, que apresenta erros na presença de um nível de água elevado.

Outra limitação se deu pelo motivo de a análise textural da amostra não ser suficiente para classificar o solo e estimar seus parâmetros geotécnicos, devido à heterogeneidade da encosta e ausência de ensaios como o de compressão triaxial e/ou cisalhamento direito, peso específico e sondagem à percussão que forneceriam os valores de ângulo de atrito, coesão e peso específico das camadas de solo, os quais são considerados principais influenciadores na sua resistência ao cisalhamento e tornariam o estudo determinístico mais preciso.

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