PALAVRAS-CHAVES: Solos Não Saturados, Sucção, Talude, Tensiômetro.

Variação Sazonal de Sucção em um Talude de Solo Residual em

São Paulo

Vieira, A. M.

Universidade de São Paulo - ex-aluno de Mestrado Marinho, F. A. M.

Universidade de São Paulo - fmarinho@usp.br

RESUMO: Em muitas situações é necessária a execução de taludes temporários que podem ser projetados levando-se em consideração o período do ano em que este ficará exposto a determinadas condições climáticas. A garantia da estabilidade destes taludes é muitas vezes devida à sucção existente. Por esta razão, é comum cobrir o talude com algum tipo de proteção para evitar a perda da sucção. O presente trabalho apresenta resultados de uma investigação de campo onde foi monitorada, por meio de tensiômetros, a variação sazonal de sucção em um perfil de solo residual de gnaisse. O principal objetivo do estudo foi obter informações sobre o comportamento sazonal do perfil de sucção em taludes verticais. O talude analisado é um corte onde não existem sinais de instabilidade, nem nenhum relato que indique que tenha havido alguma ruptura em anos anteriores nas imediações. A sucção foi monitorada por meio de tensiômetros instalados em diversas profundidades. O artigo apresenta a variação da sucção ao longo de aproximadamente um ano de monitoramento. A análise dos resultados mostrou que o perfil de sucção no talude monitorado foi praticamente independente do nível do lençol freático. A resposta do perfil de sucção às variações climáticas puderam ser avaliadas. Concluiu-se ainda que a geometria do talude tem um papel importante na variação sazonal do perfil de sucção.

PALAVRAS-CHAVES: Solos Não Saturados, Sucção, Talude, Tensiômetro.

1 INTRODUÇÃO

Os fatores climáticos associados com a ação do homem vêm sendo responsáveis por instabilizações de taludes tanto em áreas urbanas como em regiões pouco habitadas. Tanto em um caso como no outro um aspecto importante para o mecanismo de instabilização é a variação da sucção do solo (e.g. Brand, 1981; Sweeney & Robertson, 1982; Wolle & Hachich, 1989; Rahardjo et al, 1996; Gercovich et al, 1997). Essa por sua vez é diretamente influenciada pelas variações atmosféricas.

O clima afeta diretamente o balanço de água no solo. O sistema atmosfera/solo é controlado por uma interface que pertence ao perfil de solo e que regula a troca de água no sistema. A quantidade de água que entra ou sai do sistema induz variações no perfil de sucção.

A variação do perfil de sucção associada às características de retenção de água do solo faz

variar a resistência ao cisalhamento do mesmo. A resistência ao cisalhamento do solo é dada pela equação 1. b w a a)tg ' (u u )tg u ( ' c? ?? ?? ? ? ? ? [1] onde, c’ é a coesão do solo

?’ é o ângulo de atrito interno efetivo do solo

(? ?- ua) é a tensão normal líquida

(ua - uw) é a sucção

tg?b é o fator de variação da sucção

Para valores de sucção abaixo da entrada de

ar do solo ?b = ?’. Isto leva a equação 1 a se

transformar na conhecida equação da envoltória de resistência para solos saturados. Em outras palavras, quando o valor de sucção é tal que o solo se mantém saturado, a resistência incorpora o valor da sucção integralmente como tensão

efetiva (i.e. ? - (-uw)). Quando a sucção é tal

abaixo de aproximadamente 85% o ângulo ?b é

menor que ?’ e o princípio das tensões efetivas

não é mais válido.

Salienta-se assim a importância de se medir a sucção e de se saber o valor da entrada de ar por meio da determinação da curva de retenção (também chamada curva característica da relação solo/água).

O presente artigo apresenta um monitoramento do perfil de sucção, por meio de tensiômetros, num período de aproximadamente 1 ano de um talude de solo residual de gnaisse. Como fruto da análise dos resultados obtidos pôde-se avaliar os níveis de sucção a que o solo chegou neste período, e como se processou a variação da sucção com a profundidade.

2 DESCRIÇÃO DA ÁREA ESTUDADA

O talude estudado localiza-se no campo experimental do Laboratório de Mecânica dos Solos da USP em São Paulo.

A elevação do local é de aproximadamente 780m acima do nível do mar. Um arranjo esquemático do local é apresentado na Figura 1.

Container Rua T6 T7 T8 T4 T5 T2 T1 T3 6.25 1.35 1.40 .73 2.20 N *Medidas em metros medidor de N.A. ?_17.00 Poço Container T6 T7 T8 T4 T5 T2 T1 T3 6.25

Figura 1 - Arranjo esquemático do local estudado.

Na Figura 1, está indicado o poço executado para se obter amostras e para a instalação de tensiômetros. São indicadas também a

localização em planta dos tensiômetros instalados.

Na Figura 2, apresenta-se uma seção transversal do talude com a locação do poço e dos tensiômetros. 5.50 T3 T4 T5 6.00 5.00 4.70 1.35 .28 .80 8.75 4.17 T1 .25 1.15 T2 T8 3.00 T7 3.15 .35 .30 .20 T6 .80 .60 3.85 2.20 1.50 5.50 Poço T3 T4 T5 6.00 5.00 4.70 1.35 .28 .80 Inclinação~70 8.75 4.17 T1 .25 1.15 T2 1.15 T2 T8 3.00 T8 3.00 3.00 T7 3.15 T7 3.15 .35 .30 .20 T6

Figura 2 - Seção transversal do talude.

Salienta-se que a parte superior do talude é coberta com vegetação de porte pequeno conhecida como capim Colonião. Durante a estação seca a vegetação hiberna e aparenta não existir, durante a estação úmida a mesma se torna exuberante e claramente viva.

3 INSTRUMENTAÇÃO

A instrumentação constou de 8 tensiômetros. Cada tensiômetro foi cuidadosamente preparado em laboratório de forma a se obter uma saturação que possibilitasse a medição de sucção sem o surgimento imediato de ar no sistema. Isto foi feito por meio de aplicação de vácuo associado ao uso de um surfactante. Os tensiômetros foram instalados por meio de um pré-furo. Antes da instalação do tensiômetro uma pasta de solo foi preparada e colocada no furo. Essa pasta constituía-se do solo retirado

do local passado na peneira no 40 e com teor de

umidade um pouco acima do limite de liquidez. Isto permitiu um melhor contato entre a pedra porosa e o solo. A resposta dos tensiômetros foi sempre imediata.

Tensiômetros convencionais possuem uma limitação de medição de sucção que impede que sucções acima de 1 atm sejam medidas. Este

valor é reduzido em função da altitude do local onde se vai realizar a medida, das características do tensiômetro e também, tendo em vista o comprimento desses.

Na Tabela 1, são apresentados os valores dos limites dos tensiômetros instalados: os valores teóricos e aqueles que foram adotados como valores confiáveis com base em observações no campo. Sucções superiores ao valor adotado não foram consideradas e os tensiômetros foram submetidos à manutenção. Maiores detalhes podem ser obtidos em Vieira (1999).

Tensiômetros Limite Adotado

(kPa) Limite Teórico (kPa) T1 80 89.5 T2 65 77.5 T3 65 77.5 T4 65 79.5 T5 80 90.0 T6 80 89.5 T7 50 58.5 T8 50 62

Tabela 1- Limites máximos adotados para cada tensiômetro.

4 CARACTERÍSTICAS DO PERFIL DE

SOLO

O talude é formado por um solo residual de gnaisse. Dois horizontes são claramente definidos, o solo residual maduro (ou colúvio) com aproximadamente 2 metros de espessura e o solo saprolítico que vai além de 25m de profundidade.

As amostras para caracterização e para a determinação das curvas de retenção foram obtidas no poço executado. O poço possui aproximadamente 6 metros de profundidade e 1,5m de diâmetro. As paredes do mesmo foram revestidas com cimento para reduzir a troca de umidade com o ar no interior do poço. O poço foi protegido na sua entrada para evitar o acesso de água de chuva no seu interior.

Foram retiradas 12 amostras indeformadas para determinação das curvas de retenção e também 4 blocos indeformados. As amostras foram retiradas nas profundidades de 1,6m, 3,0m, 4,4m e 6,0m. Em cada nível as amostras extraídas foram escolhidas de modo a se obter

corpos de prova com características visuais diferentes. O objetivo foi avaliar o grau de heterogeneidade refletido nas curvas de retenção.

Na Tabela 2, são apresentados os resultados dos ensaios de caracterização do perfil. Verifica-se que o trecho superficial apresenta um maior teor de finos o que reflete-se num aumento da plasticidade do material.

Prof.(m) LL IP %<2?m G? 50,3 22,6 27,0 2,7 49,6 15,6 30,0 2,5 1,6 50,4 18,4 29,0 2,7 49,4 16,9 12,0 2,7 49,6 16,2 13,5 2,8 3,0 49,6 12,5 14,5 2,6 50,8 15,8 13,5 2,8 52,0 17,7 9,0 2,7 4,4 56,6 29,4 8,0 2,7 55,4 16,0 8,5 2,7 51,7 9,4 14,0 2,8 6,0 47,0 12,5 14,0 2,7

Tabela 2- Propriedades físicas do solo estudado. Os corpos de prova de cada profundidade foram identificados de acordo com a nomenclatura apresentada na Tabela 3 Profundidade (m) Nomenclatura 1.6 P1A/P2A/P3A 3.0 P1B/P2B/P3B 4.4 P1C/P2C/P3C 6.0 P1D/P2D/P3D

Tabela 3- Identificação das amostras

As curvas de retenção foram obtidas no ramo de secagem, a partir da umidade de campo. As sucções foram medidas utilizando-se a técnica do papel filtro (Marinho, 1994). Cada corpo de prova foi submetido a secagem lenta para induzir as variações de sucção. Dois papéis filtros foram utilizados em cada corpo de prova.

A primeira medição foi feita colocando-se os papéis filtro logo após a retirada do corpo de prova, ainda no poço.

Na Figura 3, estão apresentadas as curvas de retenção das diversas amostras obtidas nas várias profundidades. Apenas as amostras nas quais se pôde medir a variação volumétrica são

apresentadas. Com o objetivo de se obter informações sobre a capacidade de retenção para baixos valores de sucção, quatro amostras foram umedecidas após a secagem e alguns pontos da curva de retenção foram obtidos.

Estes corpos de prova estão identificados pela respectiva legenda do corpo de prova acrescido da letra S na Figura 3. 1000 1001 1002 1003 1004 1005 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ? (umidade vol., %) Corpo de Prova P1AS P2BS P3BS P2A P3A P1B P2B P3B P1C P2C P1D P2D P3D P2CS

Figura 3 - Curvas de retenção para as diversas profundidades.

5 RESULTADOS OBTIDOS

O monitoramento da sucção foi feito no período entre abril de 1998 e janeiro de 1999. Este monitoramento foi interrompido por um incêndio na vegetação do local, que destruiu a maioria dos tensiômetros instalados.

Dados sobre a precipitação no mesmo período também foram obtidos. A estação meteorológica localizava-se a aproximadamente 1km do local estudado.

O nível de água do lençol freático no local do estudo foi verificado por meio de um poço de monitoração. O nível de água apresentou-se a uma profundidade média de 17m em relação ao nível da entrada do poço. A oscilação do N.A. no período estudado foi de aproximadamente 1m.

Os tensiômetros responderam razoavelmente bem às precipitações que ocorreram, sempre apresentando um retardo. Os períodos seco e úmido foram claramente definidos.

Análises pontuais indicaram que tensiômetros em uma mesma profundidades responderam diferentemente em função das diferenças de características de retenção de água. As diferenças mais significantes se apresentaram nas curvas de retenção do solo saprolítico.

Nas Figuras 4, 5, 6 e 7, são apresentados os perfis de sucção para os diversos meses monitorados.

Observa-se que houve uma variação do perfil até a máxima profundidade monitorada. O que indica que a zona ativa atinge profundidades significativas. A resposta do perfil às variações climáticas é fruto não somente do solo, mas também da geometria. O fato do talude ser praticamente vertical reduz significativamente a entrada de água através de sua face. Nesta face passa a se ter praticamente só evaporação. Desta forma, pôde-se observar que havia um perfil de sucção horizontal, ou seja a sucção variava em direção ao talude. Valores maiores

foram sistematicamente observados próximos a face vertical do talude.

No período seco os tensiômetros da superfície não são capazes de medir sucções. Isto foi observado com clareza nos meses de

julho e agosto. Observou-se, no entanto, que a profundidade que isto ocorreu foi pequena e da ordem de 1m. Observou-se ainda que o nível de sucção no talude ficou, na maioria das vezes, abaixo de 80kPa. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 7 Profundidade (m) Data: 13/04/98 13/04/98 14/04/98 14/04/98 14/04/98 15/04/98 16/04/98 17/04/98 22/04/98 24/04/98 24/04/98 24/04/98 27/04/98 28/04/98 29/04/98 30/04/98 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 7 Profundidade (m) Data: 05/05/98 08/05/98 11/05/98 12/05/98 13/05/98 14/05/98 15/05/98 18/05/98 20/05/98 21/05/98 21/05/98 22/05/98 22/05/98 25/05/98 26/05/98 27/05/98 29/05/98

Abril

Maio

Figura 4 – Dados dos perfis de sucção nos meses de Abril e Maio de 1998. Abaixo dos dois metros de profundidade a

sucção se manteve acima de 10kPa, excetuando algumas observações em janeiro onde mediu-se sucções da ordem de 3kPa a três metros de profundidade.

A chuva acumulada no período estudado foi de aproximadamente 1600mm. As chuvas distribuíram-se de janeiro a maio de 1998 (acumulada de aproximadamente 22mm) e de setembro de 1998 a janeiro de 1999 (acumulada de aproximadamente 1578mm). Estes valores

servem apenas como orientação, o perfil de sucção é muito sensível às chuvas e evaporações pontuais. Nos perfis dos meses de abril, maio (Figura 4) e junho (Figura 5) observa-se uma tendência de aumento da sucção com a profundidade. Como o período seco foi de junho a agosto pôde-se verificar que nos meses de julho (Figura 5) e agosto (Figura

6) a tendência da sucção foi de redução com a profundidade. Esta inversão do perfil é provavelmente fruto da mudança do clima. Nos meses de maior precipitação, de outubro de 1998 a janeiro de 1999, Figuras 6 e 7, observou-se uma maior oscilação nos perfis. Estas variações são possivelmente um reflexo do movimento de água para as camadas inferiores.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 7 Profundidade (m) Data: 01/06/98 03/06/98 05/06/98 09/06/98 15/06/98 16/06/98 17/06/98 18/06/98 18/06/98 23/06/98 24/06/98 25/06/98 25/06/98 26/06/98 29/06/98

Junho

Julho

Figura 5 – Dados dos perfis de sucção nos meses de Junho e Julho de 1998. Salienta-se que após o término da chuva, e

mesmo durante a mesma, pode ocorrer evaporação e o grau de evaporação é

responsável pela variação do perfil na superfície.

Observa-se nos resultados que mesmo dentro de um determinado mês existe uma significante oscilação da sucção no trecho superior do perfil (aproximadamente 1.5m). O mês que

apresentou menor oscilação foi maio, onde, na parte superior do perfil a sucção variou entre zero e 15kPa. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 7 Profundidade (m) Data: 03/08/98 07/08/98 10/08/98 11/08/98 13/08/98 14/08/98 15/08/98 18/08/98 26/08/98

Agosto

Outubro/Novembro

Dezembro

Figura 6 – Dados dos perfis de sucção nos meses de Agosto, Outubro, Novembro e Dezembro de 1998.

Analisando-se os perfis apresentados, em conjunto com as curvas de retenção (Figura 3), pode-se dizer que, em geral, o solo manteve sua capacidade máxima de retenção de água. Ao se considerar um equilíbrio de sucção relativo à posição do nível de água, o solo consegue

manter armazenado uma determinada quantidade de água que é a máxima para o solo. Essa quantidade é determinada pela curva de retenção do solo, levando-se em consideração a posição do nível de água do perfil. Onde ocorre infiltração de água ocorre uma diminuição da

sucção. Nesta situação, partindo-se da condição de equilíbrio anteriormente descrita, a água que se infiltra no solo não será retida, pois o solo já está na sua máxima capacidade de retenção de água. Se a infiltração cessa, sem que haja

evaporação, essa água se infiltrará no solo, recarregando o lençol freático.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 7 Profundidade (m) Data: 08/01/99 14/01/99 19/01/99 27/01/99

Janeiro

Figura 7 – Dados dos perfis de sucção no mês de Janeiro de 1999. Se, por outro lado, ocorre uma forte seca, a

partir da condição de equilíbrio, a sucção aumentará e o perfil de sucção do solo será tal que a quantidade de água armazenada será menor que a máxima capacidade de retenção do perfil. Essa quantidade de água é igual ao volume de água necessário para que a sucção volte à situação de equilíbrio. Acima deste a água infiltra para o lençol freático.

Em geral a sucções medidas ao longo do período de monitoração foram sempre menores do que aquela da situação de equilíbrio. Assim, nessas condições, a água que se infiltra no solo ou recarrega o lençol freático ou evapora, não ficando retida no perfil.

4 CONCLUSÕES

Na literatura poucos dados de monitoração de sucção com a profundidade e tempo têm sido apresentados. Os dados aqui mostrados contribuem para a compreensão dos fenômenos envolvidos com o fluxo entre o solo e a atmosfera. Espera-se com isto poder contribuir

para o projeto de novos locais de monitoramento.

O uso de tensiômetros convencionais mostrou-se adequado para o local estudado. A instalação dos tensiômetros é um fator importante no seu desempenho, tanto de curto como de longo prazo.

A curva de retenção é um instrumento fundamental na interpretação da variação da sucção.

Observou-se que um valor mínimo de sucção foi mantido no perfil, mesmo no período úmido.

Os perfis de sucção obtidos podem contribuir para a execução de projetos de taludes temporários na região, onde o mesmo tipo de solo ocorre, levando-se em conta um perfil mínimo. Observa-se que entre julho a setembro têm-se os meses mais favoráveis em termos de contribuição da sucção para a estabilidade. Deve-se no entanto observar que o valor que efetivamente contribui para a resistência depende, entre outras coisas, do valor da entrada de ar.

Os Autores agradecem a CAPES, CNPq e a FAPESP pela ajuda financeira para o projeto. Tanto em termos de bolsas de estudos dos envolvidos como no financiamento dos equipamentos necessários.

REFERÊNCIAS

BRAND, E. W. (1981)- Some Thoughts on

Rain-Induced Slope Failures. Proceeding 10th

International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, v. 3, p.

373-376, Stockholm.

GERSCOVICH, D. M. S.;VARGAS JR., E. A.; DE CAMPOS, T. M. P. (1997)- Modelagem Tridimensional do Regime de Fluxo de um Talude na Cidade do Rio de Janeiro, Brasil.

Anáis do 3o Simpósio Brasileiro de Solos Não Saturados, Rio de janeiro, v. 1, p. 281-293.

MARINHO, F. A. M. (1994)- Medição da Sucção com o Método do Papel Filtro. Anais

do X Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia de Fundações, Foz do

Iguaçu, v. 2, p. 515-522.

RAHARDJO, H.; CHANG, M.F.; LIM, T.T. (1996)- Stability of Residual Soil Slopes as Affected by Rainfalls. Proceendings of the

Seventh International Symposium on Landslides, ed. Senneset, v. 2, p. 1109-1114.

SWEENEY, D. J.; ROBERTSON, P. K. (1982)- Slope Stability in Residual Soils in Hong Kong. Canadian Geotechnical Journal, v. 19, p. 521-525.

VIEIRA, A. M. (1999)- Variação Sazonal da

Sucção em um Talude de Solo Residual de Gnaisse. Dissertation presented to

Polytechnic School of University of São Paulo, São Paulo.

WOLLE, C. M. and HACHICH, W. C. (1989)- Rain-induced landlides in southeastern Brazil - Proceedings of the twelfth International

Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering - Rio de Janeiro -