Características Geotécnicas de uma Escavação em Região de Falha Geológica.

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1 Características Geotécnicas de uma Escavação em Região de Falha Geológica. Robson Palhas Saramago Universidade Federal Fluminense/Terrae Engenharia, Rio de Janeiro, Brasil, Mauricio Ehrlich Coppe/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, Luiz José R. O. Brandão da Silva Geólogo, Rio de Janeiro, Brasil, Marcos Barreto de Mendonça Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, Jairo Almeida Ferreira Júnior Terrae Engenharia, Rio de Janeiro, Brasil, RESUMO: O trabalho apresenta aspectos geológicos e geotécnicos de um projeto de escavação de aproximadamente 27m de altura, com desnível total do terrapleno arrimado de aproximadamente 100m de altura. A escavação será realizada numa área de falha geológica no município de Niterói- RJ com inúmeros planos de fraqueza que comandam o processo de instabilização. Os planos de fraqueza foram identificados a partir da execução prévia de sondagens com barriletes triplos e poços de investigação. Foram realizados ensaios de cisalhamento e de caracterização no Laboratório de Geotecnia da Coppe/UFRJ para a identificação das características geomecânicas dos materias que compõem as referidas superfícies de fraqueza. PALAVRAS-CHAVE: estabilidade, corte, falha geológica, contenção. 1 INTRODUÇÃO Para a implantação de um empreendimento residencial no bairro de Icarai, Niteroi-RJ, fazse necessário a execução de um corte de aproximadamente 27m de altura. A partir da crista do corte verifica-se um terrapleno inclinado (34 0 a 37 0 ), com um desnível adicional de 60 a 70m de altura. A Figura 1 apresenta uma planta do terreno com a locação dos blocos residenciais projetados e as curvas de nível do terreno. A Figura 2 apresenta um corte esquemático com o perfil do terreno natural e a indicação do corte que será executado no terreno. A região de Niterói onde está inserida o empreendimento tem um histórico de obras de estabilização mal sucedidas em face de uma geologia peculiar, que não é detectada facilmente a partir de sondagens de simples reconhecimento (SPT ou mistas). A presença de uma falha geológica na região, que atinge os bairros de Icaraí, São Domingos, Boa Viagem e Gragoatá já foi realatada por diversos autores, entre eles: Ehrlich (2004), Gomes Silva (2006) e Lima (2007). Apesar de valores elevados do N SPT, muitas vezes superiores a 30 ou 40, os materias que compõem as superfícies de fraqueza possuem parâmetros de resistência baixos, comandando todo o processo de estabilização. Para a elaboração do projeto de contenção do referido corte, foram realizadas além de 32 sondagens a percussão (SPT), 7 (sete) sondagens mistas, 3 (três) amostragens com barrilete tripo (Tipo Denison) e escavados 3 (três) poços de inspeção. 1

2 COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE ABMS. em escala 1:20.000, conduzidos pela Universidade Federal Fluminense (2004), indicam que a área que compreende os bairros do Gragoatá, Boa Viagem, São Domingos, Ingá e parte de Icaraí, é caracterizada pela presença de uma zona de falha que separa duas unidades litológicas distintas: a Unidade Ingá e o Gnaisse facoidal sem zonas charnockíticas (Figura 3) Também se pode observar na Figura 3 uma zona de falhamento no contato das duas unidades litológicas e lineamentos estruturais na área estudada, conforme destacado na figura. Figura 3 Representação do mapa geológico da cidade de Niterói, nos bairros da Boa Viagem e Icaraí, UFF (2004). Figura 1. Planta do empreendimento A Unidade Ingá ocorre na área estudada e é representada morfologicamente por um relevo ondulado, com morros pouco elevados e colinas, como o Morro do Caniço. Exposições típicas da Unidade Ingá se apresentam bastante intemperizadas, sendo raros os afloramentos de rocha sã dessa litologia. Trata-se de uma rocha gnáissica, com níveis centimétricos a decimétricos intercalados de leuco gnaisse biotítico, níveis feldspáticos e quartzosos de aspecto quartzítico, dobrados em alguns locais. Em algumas faixas observam-se nódulos de granada e quartzo associado. Na Figura 3 observa-se que os contatos com o gnaisse facoidal envolvente são bruscos, com a presença de dobras e falhas, com brechações acompanhadas de silicificações e hidrotermalismo. Tem-se na área a presença de calcedônia, variedade criptocristalina de quartzo, com hábito fibroso (DRM-RJ /GEOMITEC,1981). Figura 2. Corte esquemático 2 CARACTERIZAÇÃO GEOLÓGICA Trabalhos recentes de mapeamento geológico 2

3 3 INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA 3.1. Sondagens e Amostragens Foram realizadas 3 (três) campanhas de sondagens, totalizando 32 sondagens á percussão (SPT) e 7 (sete) sondagens mistas (barrilete simples). A Figura 4 apresenta o perfil típico do terreno, obtido com uma sondagem à percussão. Ressalta-se que a boca da sondagem SP 1A está na cota +18,30. profundidade respectivamente. Verifica-se a 8m de profundidade uma única camada de argila plástica de consistência muito mole com espessura variando de 3 a 4 cm. A 16 m de profunidade verificou-se a presença de sucessivas camadas finas de argila plástica, de espaçamento praticamente constante, como se fosse um folheado de argila. Ressalta-se que o N SPT obtido a esta profundidade foi de 30/15. Argila plástica Foto 1. Detalhe da camada de argila plástica a 8 m de profundidade. Argila plástica Figura 4. Perfil do terreno. Foram realizadas 3 (três) verticais de amostragem com barrilete triplo (tipo Denison). A primera vertical (SM-1) foi realizada com barrilete de 2 com o objetivo da simples identificação tátil visual das características do terreno. Foram coletadas amostras nas seguintes profundidades: 4 m, 8 m, 12 m e 16 m. Os amostradores foram abertos no Laboratório de Geotecnia da Coppe/UFRJ na presença da equipe de engenheiros geotécnicos e de um geólogo. As cotas das bocas dos furos onde foram realizadas amostragens com barrilete triplo são as seguintes: SM-1 (+23,02), SM-2(+23,02) e SM-3(+18,30). As fotos 1 e 2 apresentam detalhes verificados na amostra coletada a 8m e 16m de Foto 2. Detalhe das camadas de argila plástica a 16 m de profundidade. Em função da necessidade de se obter amostras indeformadas para a realização de ensaios de laboratório (caracterização e cisalhamento direto), foram executadas novas amostragens com barrilete triplo (Denison) de 75mm diâmetro (SM-2 e SM-3) e poço de inspeção. Na Figura 1 pode-se verificar a localização das verticais onde foram executadas 3

4 amostragens com o barrilete triplo (Denison) e onde foi executado o poço de inspeção. No furo SM-2 foram coletadas amostras nas seguintes profundidades: 4 m, 8 m, 12 m, 16 m e 20 m. No furo SM-3 foram coletadas amostras nas seguintes profundidades: 8m 12 m, 16 m e 20m Poços de Inspeção O primeiro poço (P1) relatado tem 9,47 m de profundidade e diâmetro de 1,1 m, com um trecho revestido que vai dos 2,25 aos 7,22 m de profundidade. Em função do revestimento inadequado este poço foi interrompido e escavado um outro poço (P2) que atingiu 15,30m de profundidade. A descrição do segundo poço foi iniciada a partir dos 7 m de profundidade. Tendo em vista a instabilidade das suas paredes, este poço foi sendo revestido à medida que avançava, sempre deixando cerca de 1,5 m no fundo sem revestimento para permitir a descrição. Ambos os poços foram executados na cota +18, Descrição do Poço P1 O primeiro trecho sem revestimento de 0 a 2,25 m é constituído por um solo residual maduro de textura argilo-siltosa, de cor castanho-avermelhado e grandes fragmentos de quartzo. Há uma delgada cobertura de solo coluvionar no início da escavação. No outro trecho não revestido, de 7,22 a 9,47 m, verificou-se o solo residual do Gnaisse da Unidade Ingá, exibindo todas as características estruturais da rocha de origem, com diversas fraturas preservadas, além da mineralogia original da rocha. O solo tem textura predominantemente siltosa, com trechos com argila. A cor é variegada: branco, cinza, laranja, verde, marrom. É marcante a presença de cristais de calcedônia, de cor branca, verde e alaranjada e hábito fibroso e sedoso ao tato (Foto 3). Mesmo com o revestimento acima deste trecho, ocorreu uma pequena ruptura a cerca de 7 m de profundidade. Foto 3 Detalhe mostrando os cristais de calcedônia, com hábito fibroso e toque sedoso. Foi possível medir a orientação da foliação da rocha que apresenta atitude segundo a direção 354/55º, assim como a direção de um sistema de fraturamento com atitude 184/45º, com preenchimento argiloso de cor branca e com espaçamento decimétrico. Mesmo com o revestimento acima deste trecho, ocorreu uma pequena ruptura a cerca de 7m de profundidade. Observou-se também outro plano de fraturamento com direção 232/45º, e um veio de quartzo e feldspato com direção 010/43º, entre 7,22 e 7,72 m Descrição do Poço P2 Profundidade de 7,00 a 8,40 m. A orientação geral observada da foliação foi de 320/50º. De 7,00 a 7,60 m verificou-se um solo residual jovem argilo-arenoso com silte, cor avermelhada a amarelada. De 7,60 a 8,40 m, a textura predominante é siltosa cor cinza, muito micáceo. Foram constatados também outros planos de fratura com as direções: 030/45º, 054/50º, eventualmente com o alinhamento de minerais. Profundidade de 8,50 a 10,00 m. Vê-se a foliação segundo a direção de 320/65º a 340/60º. Constatou-se que o solo residual jovem passa, a partir dos 9,00 m, de siltoso com argila e veios de quartzo para uma textura argilosiltosa, muito plástica de cor marrom predominante no final do trecho. Observou-se também pequeno desplacamento no lado norte do poço motivado pela foliação. Na porção noroeste do poço, aos 9,30 m, constatou-se uma 4

5 faixa de cerca de 10 cm de espessura de cor bege de textura argilo-siltosa, plástica orientada segundo a direção 304/56º Profundidade de 10,00 a 11,30 m. Observam-se novas descontinuidades: no lado leste do poço vê-se um plano de fratura segundo a direção 074/58º, em cuja superfície verifica-se a presença de calcedônia de hábito fibroso e extremamente sedoso ao tacto, além de um preenchimento de um filme de argila cor marrom alaranjado. Observa-se também a calcedônia no plano da foliação, quer tem a direção: 342/60º. Em geral as descontinuidades não são muito persistentes, com exceção da foliação. Na parede oeste (Foto 4) vê-se outra fratura, com filme de argila cor alaranjada a marrom na superfície, segundo a direção 216/73º. observa-se a fratura com direção 220/74º, com calcedônia e argila plástica alaranjada em sua superfície. Na parede leste, onde se vê os planos de fratura com atitudes: 050/55º e 180/80º e com argila alaranjada e calcedônia nas superfície. De um modo geral as descontinuidades não são muito persistentes. Foto 5 Detalhe dos planos que condicionaram a ruptura por tombamento. Foto 4 Detalhe da fratura de direção 216/73º na parede oeste (10,00 a 11,30 m). Na parede sul na profundidade de 10,70 m verificou-se uma grande ruptura em cunha condicionada pelos planos da foliação 338/66º e das fraturas: 042/80º e 272/77º Profundidade de 11,30 a 12,45 m. Constatou-se na parede norte uma ruptura por tombamento, condicionada pelos planos da foliação (346/54º), onde a calcedônia está presente, e da fratura 108/66º, cuja superfície mostra uma cobertura delgada de argila plástica cor alaranjada a marrom (Foto 5). Nesta profundidade o solo se torna mais difícil de escavar, com predominância da textura siltoarenosa com pedregulhos e seixos. Neste intervalo de inspeção também se vê outros planos de fratura com direção 050/50º com calcedônia na superfície; na parede oeste, Profundidade de 12,45 a 13,75 m. Há predominância de solo com textura argilosiltosa, mas há trechos silto-arenosos e arenosiltosos. A presença de calcedônia é generalizada na superfície dos vários planos de fratura e na foliação. Há também argila de cor verde disseminada. Na parede norte se verifica uma ruptura condicionada pelos seguintes planos 339/58º (foliação) e 230/53º (fratura). Nas paredes leste e oeste, no fundo da escavação, há um trecho de uma argila cinza escura e também branca e bege, orientados aproximadamente segundo a foliação principal (325/45º, foto 6). Na parede nordeste verifica-se um plano de fratura preenchido por argila branca e alaranjada muito plástica segundo a direção: 266/76º. Observa-se, destacado, trecho de uma argila cinza escura e também branca e bege, orientados aproximadamente segundo a foliação. Vale notar também a argila verde disseminada Profundidade de 13,75 a 15,33 m. Pouco após a escavação deste trecho já havia uma ruptura considerável na parede sul e rupturas menores na parede Norte. Na parede sul a ruptura foi condicionada pelos planos 035/81º (fratura) e 336/69º. Verifica-se calcedônia e 5

6 argila de cor branca, verde e alaranjada como material de preenchimento desses planos. Na parede Norte as rupturas secundárias estão condicionadas pelos seguintes planos 328/51º (foliação geral), 145/87º e 068/86º (fraturas). Argila marrom alaranjada muito plástica com cerca de 3 mm de espessura preenche esses dois planos. No plano da foliação, verifica-se calcedônia e argila branca. De um modo geral, neste trecho escavado a textura silto-arenosa predomina, mas há faixas muito argilosas junto às descontinuidades e principalmente na porção média da escavação. presença de argilas ativas. Como se observa a atividade dos solos em questão é muito elevada. Tabela 1. Descrição visual das amostras Verical Prof. (m) Descrição SM-2 (1) 16 a 16,5 Silte micáceo marrom claro SM-2 (2) 20,5 a 21 Silte argiloso micáceo marrom claro SM-3 (3) 8,9 a 9 Silte micáceo marrom claro SM-3 (4) 12 a 12,2 Argila siltosa micácea marrom claro SM-3 (5) 16,8 a 17 Silte arenoso micáceo entremeado com partes de argila branca (sedosa) SM-3 (6) 20,5 a 20,6 Argila siltosa marrom claro Tabela 2. Caracterização dos materiais Amostra h nat (%) G s LL (%) LP (%) IP (% ) SM-2 (1) 33,8 2, SM-2 (2) 42,4 2, ,6 SM-3 (3) 30,2 2, ,1 SM-3 (4) 53,8 2, ,81 SM-3 (5) , ,44 SM-3 (6) 31,3 2, ,35 A Foto 6 Detalhe do trecho de uma argila cinza escura e também branca e bege, orientados aproximadamente segundo a foliação. Durante a inspeção ocorreu uma ruptura de muito significativa na parede leste, condicionada principalmente pelos planos 245/80º e 358/68º, que levou à interrupção da investigação por medida de segurança Ensaios em Laboratório Os amostradores de 75mm (amostrador triplo) foram abertos no Laboratório de Geotecnia da Coppe/UFRJ. A Tabela 1 apresenta uma descrição visual dos solos observados nos trechos de fraqueza (SM-2 e SM-3). A Tabela 2 apresenta um resumo dos ensaios de caracterização das amostras descritas na Tabela 1. Consta dessa tabela o indice de atividade, A, conforme definido por Skempton (1953). Na classificação A 1.25 indica a Sendo: h nat = teor de umidade natural G s = densidade real dos grãos LL = limite de liquidez LP = limite de plasticidade IP = índice de plasticidade Ensaios de cisalhamento direto lentos foram efetuados nessas camadas de solos de menor resistência. Os corpos de prova foram moldados em seção transversal quadrada com 16,0 cm 2 de área e altura inicial de 2,50 cm. Buscou-se que a direção dos planos de rotura coincidissem com os planos de fraqueza. As amostras foram ensaiadas na umidade natural e embebidas em água, ficando estas por um período de 24 horas. As tensões normais aplicadas foram de 100, 200, 400 e 800 kpa. A velocidade de deformação adotada nos ensaios foi de 0,0583 mm/min. Os ensaios de cisalhamento na amostra 1 (SM-2 prof 16 a 16,5m) e na amostra 2 (SM-2 prof 20,5 a 21,0 m) foram conduzidos com o solo na umidade natural e embebido. Na amostra 5 (SM-3 prof 16,8 a 17m) só foi 6

7 possível realizar ensaios de cisalhamento com corpos de prova embebido. Apresentam-se, a seguir, as curvas granulométricas e resultados dos ensaios de cisalhamento nas amostras 1 e 5. Ressalta-se que foi posível se moldar 4 corpos de prova para a amostra 1 e somente 3 corpos de prova para a amostra 5. Verificou-se em laboratório que a composição granulomértica da amostra 1 apresenta: 9% de argila, 43% de silte, 25% de areia fina, 21% de areia média, e 2% de areia grossa. Para a amostra 5 verificou-se: 18% de argila, 22% de silte, 18% de areia fina, 22% de areia média, 15% de areia grossa e 5% de pedregulho. As figuras 5, 6, 7, 8, 9 e 10 apresentam os resultados dos ensaios de cisalhamento realizados nas amostras 1 e 5. tensão cisalhante ( kpa ) ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 deslocamento horizontal ( cm ) Figura 5 Curva deslocamento horizontal x tensão cisalhante na amostra 1. deslocamento vertical ( cm ) 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 deslocamento horizontal ( cm ) Figura 6 Curva deslocamento horizontal x deslocamento vertical na amostra 1. tensão cisalhante ( kpa ) tensão normal ( kpa ) Figuras 7 Pontos da envoltório de resistência da amostra 1 tensão cisalhante ( kpa ) ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 deslocamento horizontal ( cm ) Figura 8 Curva deslocamento horizontal x tensão cisalhante na amostra 5. deslocamento vertical ( cm ) 0,24 0,20 0,16 0,12 0,08 0,04 0,00 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 deslocamento horizontal ( cm ) Figura 9 Curva deslocamento horizontal x deslocamento vertical na amostra 5. Na amostra 1 o valor do ângulo de atrito é de proximadamente 24 0, com intercepto de coesão próximo a zero. A amostra 5, com corpo de prova embebido apresentou ângulo de atrito em torno de 12 0 e intercepto de corsão da ordem de 10 kpa. 7

8 tensão cisalhante ( kpa ) tensão normal ( kpa ) Figuras 10 Pontos da envoltório de resistência da amostra 5. 4 COMENTÁRIOS FINAIS As características observadas nas amostragens realizadas com barrilete triplo e poços de inspeção confirmam tratar-se de mesma geologia verificada na obra descrita por Ehrlich (2004), situada a cerca de 230 m do local ora em investigação. Esta geologia estende-se também à Praia de Boa Viagem como relatado por outros autores. Todavia, a conformação das superfícies de fraqueza apresentam geometria mais irregulares do que as relatadas por Ehrlich (2004). De todas as descontinuidades verificadas, a mais persistente é a foliação, que tem orientação geral variando de 320/50 o a 350/50 0. As medidas das atitudes das descontinuidades mostram uma grande variabilidade na sua orientação, reflexo da zona de falha presente na área, bem como dos dobramentos relatados na bibliografia. A presença de um mineral pouco cumum (calcedônia) às rochas gnáissicas do Rio de Janeiro é reflexo de um intenso hidrotermalismo que atuou na Unidade Ingá, por sua vez favorecido pelo fraturamento intenso do maciço rochoso, dado pela zona de cisalhamento local. A presença de uma mineralogia peculiar na superfície das descontinuidades favoreceu o desenvolvimento de argilo-minerais expansivos. Se a presença dos argilo-minerais expansivos e dos de baixo ângulo de atrito estivesse restrita ao plano de foliação da rocha, sua influência na estabilidade do talude seria secundária em função da geometria dos cortes que serão executados para a implantação do empreendimento. Por outro lado, não se pode descartar uma mudança da orientação da foliação, tanto lateralmente como em profundidade por se tratar de uma zona que sofreu intenso cisalhamento e dobramentos. Neste caso a influência poderia ser acentuada. Em função de tais características, o terreno deverá ser instrumentado (inclinômetros e medidores de nível de água) para avaliação do seu comportamento ao longo de todo o período construtivo. Também serão monitoradas as cargas nas ancoragens das cortinas que serão implantadas. Uma equipe de engenheiros geotécnicos e geólogos de engenharia deverão acompanhar todo o processo de escavação e implantação das estruturas de contenção. AGRADECIMENTOS Agradecemos as construtoras Pinheiro Pereira e Klabin Segall pelo irrestrito apoio nas investigações necessárias para o desenvolvimento dos projetos de contenção. REFERÊNCIAS DRM-RJ/GEOMITEC (1981). Mapa geológico da folha Baía da Guanabara Projeto Carta Geológica do Estado do Rio de Janeiro. Relatório final, Niterói. Ehrlich, M. (2004). Performance of a 25m high anchored wall for stabilization of an excavation in gneiss saprolite, Landslides: Evaluation and stabilization. Proceedings of the ninth international symposium on landslides, Rio de Janeiro, 2004, Vol. 2, p Gomes Silva, A.M.B.(2006) Condicionantes geológicos geotécnicos de escavação grampeada em solo residual. Dissertação de mestrado, Coppe/UFRJ, Rio de Janeiro, 105p. Lima, A. P. (2007) Comportamentode uma escavação grampeada em solo residual de gnaisse. Dissertação de Doutorado, PUC, Rio de Janeiro, 431 p. Skempton, A. W. (1953). The colloidal activity od clays. Proc. 3rd Int. Conf. Soil Mech. Founfd. Eng., Vol I, p. 57. Universidade Federal Fluminense. (2004) Projeto Avaliação das Encostas de Niterói com Vista aos fenômenos de Deslizamentos Setor 1 (Zonas Centro, Norte e Sul), Niterói, 77p. 8