Avaliação da Segurança de um Talude Não-Saturado em Obra do Metrô de Fortaleza Ce

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1 Avaliação da Segurança de um Talude Não-Saturado em Obra do Metrô de Fortaleza Ce Silva Filho, F. C. Universidade Federal do Ceará UFC, Fortaleza, Brasil, Dantas Neto, S. A. Universidade Federal do Ceará UFC, Fortaleza, Brasil, Resumo: A construção do metrô de Fortaleza apresenta vários cortes em solos não-saturados e em alguns locais estão sendo construídas estruturas de contenções. Durante a execução de uma destas contenções ocorreu uma ruptura do talude que provocou a morte de um operário, tendo em vista a queda de um caminhão com o concreto usinado. Neste trabalho são avaliadas as condições de segurança do talude no local onde ocorreu a ruptura levando-se em consideração a influência da sucção no comportamento do solo. Para tal avaliação foram realizadas análises de estabilidade de taludes baseadas no princípio do equilíbrio limite de maciços terrosos e em uma metodologia que utiliza o Método dos Elementos Finitos através de uma técnica de redução de parâmetros de resistência. Para a obtenção dos parâmetros geotécnicos foram realizados ensaios em amostras de solo na condição saturada e não-saturada. As análises numéricas foram realizadas com a utilização dos programas Phase e Slide 5.0 da empresa Rocscience e evidenciaram a influência da sucção na estabilidade do talude analisado. Os resultados mostraram claramente uma influência da sucção na estabilidade do talude e, que a causa da ruptura ocorreu devido a um acréscimo de sobrecarga no topo do talude. Abstract: The construction of the subway in Fortaleza has several cuts in unsaturated soils and in some places are being built Retaining Structures. During one the execution of these structures a failure in the slope caused the death of a worker in order to drop a truck with the concrete plant. This work evaluated the safety of the slope where the failure occurred taking into consideration the influence of suction in the behavior of the soil. For this assessment were analyzed the stability of slopes based on the principle of equilibrium limit of soil mass and a methodology that uses the Finite Element Method using a technique of reduction of parameters of strength. To obtain the geotechnical parameters were tested on soil samples in the saturated condition and unsaturated. The numerical analysis was performed using the programs Phase and Slide 5.0 of the Company Rocscience and showed the influence of suction in the slope stability analysis. The results showed a clear influence of suction on the stability of the slope, and that the cause of the collapse was due to increased overburden on top of the slope. 1. INTRODUÇÃO O metrô de Fortaleza apresenta dois trechos, um subterrâneo e o outro de superfície. Entretanto, no trecho de superfície, em alguns locais foi necessária a realização de cortes com alturas variáveis e inclinações chegando em casos de 1(H) : 10(V). Nestes casos, os taludes foram escavados na condição não-saturada e apresentam em geral solos argilo-arenosos provenientes da Formação Barreiras que é comum na região. As escavações são realizadas e posteriormente, onde necessário, são construídas estruturas de arrimo para garantir a estabilidade dos taludes provenientes destas escavações. Durante estes serviços, ocorreu em agosto de 2007, uma ruptura de um talude que apresentava uma altura máxima de 6m. A ruptura ocorreu durante os serviços de concretagem da estrutura de contenção proporcionando o movimento de uma grande massa de solo. Este trabalho apresenta os resultados de ensaios

2 de cisalhamento direto e triaxial, e determinação de sucção com a utilização da técnica do papel filtro para a avaliação da sucção do solo na região da obra. Os resultados da investigação subsidiaram a realização de análises de estabilidade considerando duas metodologias: equilíbrio limite e elementos finitos, que usa a técnica de redução de parâmetros de resistência. Os resultados das análises evidenciaram uma condição de pré-ruptura com fator de segurança próximo de 1,0 (um) e com a estabilidade garantida pela presença da sucção. Esta condição de equilíbrio pode ser modificada pela ocorrência da diminuição da sucção ou da colocação de uma sobrecarga no topo do talude. Para a realização das análises foram utilizados os softwares Slide 5.0 e Phase Estes programas já foram utilizados pelo primeiro autor com bons resultados nas análises do comportamento de obras de barragens (Silva Filho e Futai, 2006; Silva Filho e Futai, 2008) 2. DESCRIÇÃO DO ACIDENTE Em agosto de 2007 ocorreu um acidente a 800m de distância da estação Mondubim, nas obras do metrô de Fortaleza. O acidente ocorreu durante a concretagem de estruturas de contenção, deixando uma vítima fatal e prejuízos consideráveis, levandose em conta que a obra foi paralizada para análise das causas do acidente (Figura 1). O deslizamento movimentou uma grande quantidade de material de um talude com altura de aproximadamente 6m. Para a análise do acidente foram extraídos vários blocos de material indeformado (Figura 2) para a realização de ensaios mecânicos e de sucção. Figura 1: Caminhão que tombou devido ao deslizamento (Publicada no jornal Diário do Nordeste em Agosto de 2007) Figura 2: Extração de blocos indeformados 3. ENSAIOS REALIZADOS Neste trabalho foram realizados ensaios de cisalhamento direto em corpos de prova saturados e não saturados extraídos de amostras indeformadas; ensaios de papel filtro para a determinação da curva característcia do solo constituinte do talude analisado; e ensaios triaixiais em corpos de prova não saturados. Estes ensaios possibilitaram a análise da segurança do talude levando-se em consideração o ganho na resistência ao cisalhamento dos solos promovido pela presença da sucção nos solos nãosaturados. Os ensaios de papel filtro são importantes nestes casos para avaliar a influência da sucção na resistência ao cisalhamento dos solos, pois é sabido que os ensaios convencionais de cisalhamento direto e triaxiais realizados com saturação não levam em conta uma importante contribuição à resistência ao cisalhamento dos solos expressa por um aumento na coesão devido a presença de condição aparente provocada pelos meniscos capilares presentes nos solos não-saturados. Os ensaios de cisalhamento direto nas amostras não saturadas foram realizados com velocidade de deformação controlada (0,2 mm/min). Os ensaios de cisalhamento direto com saturação foram realizados também com deformação controlada (0,1 mm/min) após um período de adensamento de seis horas. Os ensaios de cisalhamento direto realizados com saturação dos corpos de prova foram importantes para verificação da influência da sucção na resistência ao cisalhamento do solo estudado. Na Tabela 1 são apresentados os resultados obtidos nos ensaios de cisalhamento direto realizados em amostras não saturadas e saturadas, cujas envoltórias de ruptura estão apresentadas nas Figuras 3 e 4, respectivamente. Como se pode ver nos resultados, de fato, o solo ensaiado com a umidade natural apresentava uma coesão superior àquela ensaiada na condição

3 saturada. Quando o solo foi ensaiado na condição saturada a coesão obtida foi nula. Este resultado indica a influência da sucção na coesão do solo, fato este que pode representar uma estabilidade razoável para o talude na sua condição de campo, ou seja, na umidade natural, mas que poderá ser reduzida de forma relevante caso haja aumento de umidade do maciço. Também foram realizados ensaios triaxiais com tensões confinantes de 66,5 kpa; 130 kpa e 270 kpa. O corpo de prova foi moldado com dimensões do diâmetro de 35,6mm e altura variando de 70mm a 76mm. A aplicação da tensão confinante foi realizada com a utilização de potes de mercúrio, conforme as indicações obtidas em Bishop e Henkel (1962). Os potes são presos por molas que proporcionam auto compensamento que é necessário para os ensaios drenados e que aumentam o volume de água na célula triaxial pela diminuição de volume do corpo de prova. Após a moldagem, o corpo de prova foi levado para para o interior da célula com a utilização de uma membrana de plástico para o seu confinamento. Em seguida a célula foi preenchida com água destilada para aplicação de σ c. Tabela 1 Resultados dos ensaios de cisalhamento direto Parâmetro Amostra Saturada Não saturada Coesão (kpa) 0,0 17,0 Ângulo de atrito 33º 33º Após a aplicação da tensão confinante, o corpo de prova foi submetido a tensão desvio sob condições de deformação controlada (0,30 mm/min). Nestas condições o ensaio tinha um tempo de rompimento de aproximadamente 40 min. A carga axial que foi utilizada para a aplicação da tensão desvio, foi medida através da utilização de uma célula com capacidade máxima de 1000 kg e com o sistema de medição indicado na Figura 5. Como se sabe, o ensaio triaxial tem muito mais versatilidade do que o ensaio de cisalhamento direto. Não pré-determina o plano de ruptura, podendo serem monitoradas durante todo o ensaio as poropressões e as variações volumétricas. Nos ensaios realizados para a elaboração destre trabalho, os corpos de prova estavam sempre na condição não-saturada e, portanto, não foi possível medir variações de volume. Os valores de coesão e de ângulo de atrito obtidos nos ensaios triaxiais foram semelhantes aos obtidos nos ensaios de cisalhamento direto apresentados na Tabela 1. Figura 3: Envoltória obtida nos ensaios nãosaturados Figura 4: Envoltória obtida nos ensaios saturados Figura 5: Célula de carga com sistema de medição Tendo em vista a influência da sucção no comportamento dos taludes não-saturados e sua importância na definição da estabilidade destes taludes, optou-se por utilizar a técnica de papel filtro para a determinação da sucção que estava presente nas amostras indeformadas que foram utilizadas para a realização dos ensaios mecânicos. O ensaio consiste na colocação de um papel (Whatman 42), que tem uma curva de calibração definida, em contato com o solo e totalmente envolvido por papel laminado e filme plástico e deixado em equalização durante um período de 7 dias. Após decorrido este tempo retira-se a umidade

4 do papel e determina-se pela equação do papel a sucção a qual o solo está submetido. A Figura 6 apresenta os detalhes do procedimento. De acordo com o procedimento descrito anteriormente foi determinado que as amostras enviadas ao laboratório apresentavam uma sucção que variava de 200 kpa até 400 kpa. E, foram estes valores de sucção que proporcionaram o aumento de coesão, confome visto na Tabela 1. Figura 6: Procedimento do ensaio do Papel Filtro Os resultados dos ensaios de cisalhamento indicaram que a coesão do solo está associada à influência da sucção. Como é sabido, a estabilidade de maciços terrosos sofre grande influência da coesão apresentada pelos solos, e consequentemente, da sucção presente. Desta forma, a consideração da sucção e sua influência na estabilidade do maciço de solo analisado é de fundamental importância para a realização das análises apresentadas neste trabalho. Nos solos não-saturados a envoltória de ruptura considera a influência da sucção através da proposta de Fredlund et al (1978) que modificou a equação de Mohr-Coulomb acrescentando um ângulo de atrito φ b que é obtido em ensaios de cisalhamento com controle de sucção. Como neste trabalho, os ensaios de cisalhamento direto não foram realizados com controle de sucção, o ângulo de atrito φ b foi estimado a partir do conhecimento da sucção presente nas amostras e nos resultados dos ensaios de cisalhamento direto realizados nas amostras saturadas e não saturadas. Assim, utilizando-se um valor médio para a sucção obtida (300 kpa), e considerando os resultados dos ensaios de cisalhamento triaxial é possível estimar que o valor de φ b encontra-se abaixo de 10 o. 4. TÉCNICA DE REDUÇÃO DE PARÂMETROS DE RESISTÊNCIA Para se ter um resultado mais realista e para mostrar a capacidade de se realizar análises de estabilidade por elementos finitos, onde se considera que a ruptura é forçada a ocorrer por uma redução de parâmetros de resistência. Neste caso não se predefine nenhuma superfície e nem a sua forma. Esse modelo considera seis parâmetros efetivos do solo: ângulo de dilatância, Ψ, ângulo de atrito interno φ ', coesão efetiva c ', módulo de Young, E', coeficiente de Poisson, ν ' e peso específico total γ. Sugere-se, tendo em vista o nível de detalhamento da modelagem volumétrica considerado nos escopos dos modelos elásticos perfeitamente plásticos utilizados, um ângulo de dilatância constante. Como o principal objetivo é a obtenção acurada do fator de segurança no talude, um valor pré-fixado de Ψ = 0 é utilizado com variação de volume igual a 0 (zero) durante o escoamento. Este valor de Ψ permite que o modelo forneça fatores de segurança confiáveis e uma indicação racional da localização e formato da potencial superfície de ruptura (Griffiths e Lane, 1999). Os parâmetros elásticos E' e ν' referem-se, respectivamente, ao módulo de Young e ao coeficiente de Poisson do solo e não obstante terem grande influência nas deformações ocorridas antes da ruptura, têm uma pequena influência no fator de segurança obtido em análise de estabilidade de taludes. Na ausência de dados significativos para E' e ν ', sugere-se adotar: E' = 10 5 kn/m 2 e ν ' = 0,3 (Griffiths e Lane, 1999). Em termos de tensões principais e considerando a compressão com sinal convencionalmente negativo, mostra-se, a seguir, a formulação do critério: σ ' 1+ σ ' 3 σ ' 1 σ ' 3 F = sinφ' cosφ' c'cosφ' (1) 2 2 Onde σ 1 ' e σ 3 ' são tensões principais efetivas maior e menor, respectivamente. A função de ruptura F pode ser interpretada como segue: - F<0, tensões dentro da envoltória de ruptura (elástico); - F=0, tensões na envoltória de ruptura (plástico);

5 - F>0, tensões fora da envoltória de ruptura (plástico e deve ser redistribuído). As forças geradas devido ao peso próprio do solo são computadas utilizando a técnica de acionamento da gravidade ou turn on, que envolve integrais sobre cada elemento da forma, como segue: ( e) T e p = γ N dv (2) e V onde N são funções de forma do elemento e o sobrescrito e refere-se ao número do elemento. Esta integral avalia o volume V e de cada elemento, multiplicado pelo peso específico aparente γ e distribui a força vertical da rede para todos os nós. Estas forças dos elementos são incorporadas num vetor de força de gravidade global que é aplicado numa rede de elementos finitos para gerar o estado tensões inicial do problema. O Fator de Segurança (FS) do talude é definido como sendo o fator pelo qual os parâmetros originais de resistência ao cisalhamento têm que ser divididos para levar o talude à ruptura. Os parâmetros de resistência c' e φ' e que são na ruptura c f' e φ f ', relacionam-se, considerando a técnica de redução de resistência ao cisalhamento, como mostrado nas equações a seguir: critérios, considera-se que ocorreu a ruptura. Ruptura de talude e a não convergência numérica ocorrem simultaneamente e são acompanhadas de um drástico crescimento dos deslocamentos nodais na rede, podendo-se visualizar uma região com tensões cisalhantes máximas onde se pode considerar que nesta região está localizada a superfície potencial de ruptura. 5. SIMULAÇÕES NUMÉRICAS Neste item será apresentada uma análise de estabilidade do talude nas proximidades da cunha que deslizou. Para a realização da análise serão utilizados os parâmetros de resistência obtidos nos ensaios triaxiais. A geometria foi estimada a partir das visitas realizadas no local do acidente. A Figura 7 mostra os resultados utilizando elementos finitos com a técnica de redução de parâmetros (Griffths e Lane, 1999). Pode-se ver que o fator de segurança ficou próximo de 1,1 mas guardando a estabilidade do maciço. Pode-se também visualizar a região onde devem ocorrer as máximas tensões cisalhantes na caracterização da cunha de deslizamento. c' ' = (3) SRF c f tanφ' φ ' f = arctan (4) SRF SRF é o Fator de Redução de Resistência. A técnica de redução de resistência ao cisalhamento permite a aplicação de diferentes fatores para os termos c' e φ. Pode, no entanto, aplicar-se o mesmo fator para ambos os termos. Para encontrar o Fator de Segurança FS, é necessário iniciar uma procura sistemática pelo SRF que levará o talude a ruptura. Quando este valor é encontrado, FS=SRF. A indicação de ruptura, considerada no modelo é a de não convergência da solução (Zienkiewicz e Taylor, 1989), pois não ocorre mais mobilização de resistência necessária para se manter o equilíbrio. Quando o algoritmo não converge dentro de um número máximo de interações especificadas pelo operador, a implicação é que nenhuma distribuição de tensões pode ser encontrada de forma que seja simultaneamente apta para satisfazer tanto ao critério de ruptura de Mohr-Coulomb como ao equilíbrio global. Se o algoritmo não satisfaz estes Figura 7: Utilização do Método dos Elementos Finitos A Figura 8 mostra resultados de equilíbrio limite (Bishop simplificado) com valor de fator de segurança também próximo de 1,1. Tendo em vista o baixo valor do fator de segurnaça obtido nas duas metodologias, pode-se prever que as condições de estabilidade podem ser alteradas e a ruptura pode ocorrer caso haja a aplicação de uma sobrecarga no topo de talude, por exemplo. Além dessa condição de contorno é possível ocorrer uma variação da distribuição de sucção no maciço e, neste caso também ocorreria uma variação significativa das condições de segurança. No caso apresentado, a sobrecarga promovida pela colocação do caminhão com o concreto foi a provável causa da ruptura, ou seja, como o fator de

6 segurança calculado era próximo de 1,0 o carregamento do caminhão foi suficiente para a diminuição da segurança com ruptura do talude. Figura 8: Equilíbrio Limite antes da ruptura A superfície crítica de deslizamento após a ocorrência da ruptura proporciona uma suavização no talude aumentando a estabilidade do talude resultante. Para verificar este aspecto, suavizou-se a geometria do talude para uma nova avaliação da segurança e como esperado o fator de segurança passa a ser aproximadamente 1,5 (Figura 9). Ou seja, a ruptura ocorre devido a colocação da sobrecarga e o talude remanescente adquire nova segurança com uma geometria no talude mais suavizada. Figura 9: Equilíbrio Limite após ruptura 6. CONCLUSÃO Este artigo apresenta os resultados de ensaios de laboratório, de campo e análises de estabilidade em talude não-saturado que apresentou ruptura por deslizamento em obra do Metrô em Fortaleza. Foram coletadas amostras em blocos em cinco pontos, três na cunha de deslizamento a uma profundidade de 3m e dois afastados 4m a esquerda e a direita da cunha. Também foi obtido um perfil de umidade a partir do topo do talude na região de deslizamento. Os resultados demonstram uma situação de estabilidade, com fator de segurança pelo método das fatias de Bishop Simplificado próximo de 1,1. Esta estabilidade pode ser alterada caso venha a ser utilizada sobrecarga no topo do talude ou variações significativas de umidade. A metodologia utilizada com elementos finitos e com a técnica de redução de parâmetros mostrou que pode ser utilizada com simplicidade, não necessitando das simplificações utilizadas no equilíbrio limite. Também pode-se verificar a influência da sucção na estabilidade determinada em laboratório e utilizada nas simulações. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq e a FINEP que apoiaram financeiramente esta pesquisa. REFERÊNCIAS Bishop, A. W.; Henkel, D.J. The Measurement of Soil Properties in the Triaxial Test. 2 nd Edition, London, p. Fredlund, D. G., Morgenstern, N. R., Widger, R. A. (1978) The Shear Strength for Unsaturated Soils. Canadian Geotecnical Journal, 15(3). 1978, p Griffths, D. V. e Lane, P. A. (1999) Slope Stability Analysis by Finite Elements, Géotechnique 49, no. 3, p Silva Filho, F. C. e Futai, M. M. (2006). Análise do Escorregamento do Talude de Montante da Barragem do Açu por Elementos Finitos. Anais do XIII Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica XIII Cobramseg, Curitiba - PR, Brasil Silva Filho, F. C. e Futai, M. M. (2008) Verificação da Estabilidade de Barragens Homogêneas com a Consideração da Sucção e Análises Numéricas. Anais do IV Congresso Luso-brasileiro de Geotecnia. Silva Filho, F. C. (2008) Reto-análise de uma ruptura de talude não-saturado com a utilização de equilíbrio limite e elementos finitos. XIV Cobramseg, Búzios - RJ, Brasil. Zienkiewicz, O. C. e Taylor, R. L. (1989), The Finite Element Method volume 1, McGraw Hill, London, New York, 4th edition.

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