ESTUDO DE CASO: ANÁLISE DE ESTABILIDADE DE TALUDE EM UMA RUPTURA COM SOTERRAMENTO EM CASCAVEL/PR

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1 ESTUDO DE CASO: ANÁLISE DE ESTABILIDADE DE TALUDE EM UMA RUPTURA COM SOTERRAMENTO EM CASCAVEL/PR Guilherme Irineu Venson Professor/Pesquisador curso de Eng. Civil Jorge Augusto Wissmann Professor/Pesquisador curso de Eng. Civil Dryelli Alexia Zatta da Rosa Graduanda do curso de Engenharia Civil Pedro Gabriel Brum de Sousa Engenheiro Civil Taíne Beal da Silva Graduanda do curso de Engenharia Civil Gabriel Orquizas Mattielo Pedroso Doutorando do curso de Engenharia Civil Universidade de São Paulo Resumo. O presente artigo se trata do estudo de caso de um deslizamento de solo devido à ruptura de talude ocorrida durante escavação em um canteiro de obra na cidade de Cascavel/PR, onde houveram três vítimas fatais. O objetivo desta pesquisa foi avaliar a estabilidade do talude, analisando os fatores de segurança (FS) obtidos a partir da modelagem computacional do mesmo. Para tanto, o programa experimental consistiu em: inspeção de campo, ensaios de caracterização e de resistência ao cisalhamento, análise das variáveis determinantes na estabilidade de maciços e modelagem do talude. A partir dos resultados obtidos, observaram-se fatores de segurança aceitáveis somente na condição de solo seco. Na situação mais crítica, o FS médio estimado foi de 1,09. Tal valor indica eminência de ruptura e é inferior ao FS exigido pela NBR 11682:2009. Com isso, pode-se concluir que o escorregamento foi desencadeado pela soma dos seguintes fatores: geometria inadequada do talude, aumento da altura crítica devido à escavação na base e saturação do solo decorrente das chuvas constantes que antecederam o sinistro. Palavras-chave: Estabilidade de taludes; Soterramento; Modelagem computacional. 1. INTRODUÇÃO Os principais mecanismos determinantes na estabilidade de taludes são: fatores geológicos, geometria do talude, sobrecarga de aterros e/ou depósito de materiais, teor de umidade do solo, alterações no fluxo interno de água, intemperismo, abalos sísmicos e vibrações. Logo, para compreensão das condições de estabilidade de taludes é necessário primeiro avaliar os mecanismos e a sobreposição de seus efeitos na resistência ao cisalhamento do solo estudado (DAS, 2011). A análise da estabilidade pode ser realizada através de metodologias baseadas no equilíbrio limite ou no comportamento tensãodeformação de uma massa de solo (MONTEIRO et al., 2018). O método do equilíbrio limite admite que o maciço se encontra na iminência de uma ruptura generalizada ao longo da superfície de menor resistência ao cisalhamento (GUIDICINI&NIEBLE, 1984). Os métodos assumem o solo como material homogêneo, disposto em uma única camada, com comportamento segundo o critério de Mohr- Coulomb. Dentre vários métodos existentes para modelagem computacional de taludes, os mais

2 empregados são Bishop, Janbu, Morgestern- Price e Spencer. A partir dos parâmetros físicos e de resistência do solo, são calculadas as superfícies de maior probabilidade de ruptura menores Fatores de Segurança (FS) correspondentes as menores resistências ao cisalhamento (QI, 2018). Assim, a estabilidade do talude é avaliada com base nas interpretações dos FS mínimos gerados por cada método. Diversas pesquisas de relevância nacional e internacional apresentaram resultados consistentes ao proporem metodologias baseadas em modelos de equilíbrio limite para obtenção dos FS em diferentes tipos de solo, sob condições de campo diversificadas. Foram consideradas para modelagem da situação estudada: i) a forma de condução da investigação geotécnica em campo após um sinistro: Wang e Griffiths (2018) analisaram uma ruptura de grandes proporções em uma operação de mineração e realizaram uma modelagem com base na investigação geotécnica já existente da obra. Franch e Futai (2009) observaram um talude composto por aterro argiloso sobre solo residual siltoso, sob variações sazonais de poropressão. ii) a previsão do comportamento de solos coesivos (em estados saturados e não saturados): Leng et al. (2017) obtiveram boa representatividade dos parâmetros ângulo de atrito efetivo ( ), intercepto coesivo efetivo (c ) e resistência ao cisalhamento não-drenada (Su) de solo argiloso, a partir de ensaios triaxiais e Mori et al. (2017), em estudo de ruptura de talude arenoso, determinaram as influências climáticas de neve e chuva na infiltração de água no solo, afetando a estabilidade do talude. iii) a metodologia de análise de estabilidade com base nos fatores de segurança: Filho e Neto (2009) avaliaram a segurança com uso dos FS de um talude composto por solo argilo-arenoso e Xu et al. (2017), de modo análogo, estudaram a resistência de silte e argila saturadas após deslizamento de solo com esses fatores. Para o dimensionamento e execução de taludes, a NBR (ABNT, 2009) estabelece fatores de segurança (FS) a partir dos fatores de risco à vida humana e/ou perdas materiais. Para o talude em questão, é prescrito um FS de 1,50. O presente estudo de caso é referente a ruptura que soterrou quatro operários em um canteiro de obra. As circunstâncias deste deslizamento compõem um exemplo prático da relevância do estudo da Estabilidade de Taludes, pois é a partir de investigação geotécnica e de projetos mais detalhados e rigorosos que a engenharia brasileira poderá ter mais clareza na tomada de decisões, prevenindo assim erros e ocorrências fatais como esta. O objetivo deste trabalho foi obter os mínimos fatores de segurança (FS) do talude, por meio de modelagem computacional do mesmo e determinação das causas da ruptura. Para obtenção dos parâmetros de entrada de dados do software, foi necessária a caracterização das amostras de solo argiloso, compreensão das suas condições de campo e determinação do seu comportamento mecânico. 2. DESCRIÇÃO DO DESLIZAMENTO No dia 22 de fevereiro de 2018, no canteiro de obra da construção de um edifício residencial, no município de Cascavel/PR, ocorreu a ruptura de um talude durante uma escavação em sua base. A obra se encontrava na etapa de arrasamento das estacas e execução dos blocos de coroamento. Os serviços haviam sido retomados após terem sido paralisados durante uma sequência de dias chuvosos. No instante do deslizamento, quatro operários trabalhavam na escavação de um bloco junto à base do talude. Três deles foram vítimas fatais.

3 A Polícia Cientifica elaborou laudo pericial do ocorrido, o qual foi produzido com auxílio dos dados apresentados neste estudo. 3. METODOLOGIA O programa experimental foi constituído das seguintes etapas: a) inspeção de campo, onde foram retiradas as amostras e realizadas medições da geometria do talude e do trecho colapsado; b) levantamento dos fatores determinantes no colapso, com enfoque no histórico de precipitação pluviométrica das semanas anteriores a ruptura; c) ensaios de caracterização das amostras e suas condições de campo, bem como sondagem SPT para determinação do perfil do solo; d) ensaios triaxiais, para avaliar o comportamento tensão-deformação e obter os parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo local; e) entrada de dados e compilação do talude nas condições de campo Inspeção de Campo A Figura 1 apresenta uma visão geral do local do deslizamento. Trata-se de um terreno com cerca de 1400m², cercado por edificações nas laterais e no fundo do lote, não havendo divisa apenas na porção frontal, voltada para a rua. No que diz respeito à execução das fundações, nota-se que apenas o fundo e parte das laterais apresentavam obras de contenção por meio de cortinas de estacas. Na porção frontal, onde não foi empregada qualquer estrutura de contenção, foi executada a escavação do talude, alvo deste estudo, que colapsou. Também na Figura 1, nota-se um contêiner na crista do talude (sobrecarga acidental), naquele local existia ainda um segundo contêiner que foi removido logo após a ruptura, devido ao risco de tombamento. Figura 1: Vista geral do local, fundações e canteiro de obra. Na inspeção visual de campo, no dia subsequente ao ocorrido, verificou-se um colapso global, do tipo rotacional com superfície de ruptura em forma circular/de concha. Na Figura 2 é possível observar em detalhe a seção rompida. Figura 2: Vista lateral (esq.) e frontal (dir.) do trecho rompido. Durante as medições, constatou-se que o flanco nível da crista em relação à base do talude era de aproximadamente 6,0m. Na base do talude onde os operários escavavam o bloco com altura de 1,20m, o flanco totalizava 7,20m. A largura da superfície de ruptura apresentava uma média também de 7,20m. A Figura 3 mostra esquematicamente os cortes do talude antes e depois da escavação do bloco ao pé do talude, gerados a partir das medidas tomadas no local.

4 Calculou-se a inclinação do talude em aproximadamente 74,25º. Sendo estas as distâncias (Figura 03) consideradas na simulação em software. Figura 3: Geometria antes (esq.) e depois (dir.) da escavação do bloco 3.2. Sondagem SPT Para o desenvolvimento do projeto de fundações foi realizada uma investigação geotécnica com base em sondagens SPT, a Figura 4 traz um esquema da locação dos quatro pontos da sondagem bem como as posições da contenção, da escavação do bloco e do talude rompido. Figura 5: Resultados da Sondagem SPT 1 (a), SPT 2 (b), SPT 3 (c) e SPT 4 (d). Da Figura 5 é possível notar que o talude rompido era composto integralmente de solo argiloso com perfil relativamente homogêneo e nível d água médio a 12,5m de profundidade. Figura 4: Locação de pontos de Sondagem SPT e esquema da obra. Os resultados dos SPT's foram cedidos pela empresa responsável e estão apresentados na Figura 5 com os valores de profundidade, número de golpes, nível d água e identificação da composição das camadas de solo Precipitação e Grau de Saturação Nos dias anteriores ao deslizamento ocorreu uma sequência de 05 dias de precipitação. Sabe-se que a água presente nas camadas de solo (principalmente argiloso) é um fator determinante na resistência de talude e, por conta disso, a estação pluviométrica mais próxima da obra foi consultada.

5 A Tabela 1 apresenta os índices pluviométricos do mês de fevereiro de 2018 fornecidos pela empresa Coopavel, com destaque para o período de chuva anterior à data do evento (22/02*). Tabela 1 - Dados de precipitação da cidade de Cascavel no mês de fevereiro de 2018 (Coopavel) Dia Prec. Prec. Prec. Dia Dia (mm) (mm) (mm) 1 0, ,0 21 0,0 2 0,0 12 0,0 22* 0,0* 3 0,0 13 0,0 23 0,0 4 0,0 14 0,0 24 0,0 5 0,0 15 0,0 25 0,0 6 0, ,0 26 5,0 7 0, , ,0 8 0, ,0 28 0,0 9 90, ,0 10 5, ,0 Estes valores totalizam uma precipitação mensal de 245 mm. De acordo com séries históricas do IAPAR, o valor médio para os meses de fevereiro na região é de 117,8 mm. Não só o volume total é superior à média, mas a frequência também foi um ponto crítico para o aumento do teor de umidade e grau de saturação do solo. A incidência de chuvas de alta frequência e baixa intensidade sobre solos argilosos resulta em taxas de infiltração maiores que em chuvas de alta intensidade e baixa frequência. No primeiro caso, há tempo para a água infiltrar no solo, já no segundo isso não ocorre, havendo formação do escoamento superficial (MEIN&LARSON, 1973; CLARKE&SMETHURST, 2010; AZEVEDO et al., 2018) Ensaios de caracterização Para determinação das condições do solo em campo, foram coletadas amostras indeformadas pelo método da cravação de um anel metálico (EMBRAPA, 1997), então as amostras foram isoladas com uso de papel filme e levadas para laboratório, onde foram realizados ensaios para a obtenção da massa específica dos grãos (γs), massa específica aparente seca (γd) e da umidade (w) destas amostras (EMBRAPA, 1997), os valores de massa específica natural (γn) índice de vazios e grau de saturação foram calculados com uso destes dados. Foram retiradas amostras das bordas externas direita e esquerda da ruptura e também três amostras na face interna da ruptura, tomando-se cuidado para não atingir a porção amolgada de solo. Os ensaios foram realizados no Laboratório de Geotecnia (GEOTEC) da (UNIOESTE), campus Cascavel/PR. Esta etapa foi conduzida conforme as recomendações das normas técnicas apresentadas na Tabela 2. Os dados obtidos são apresentados na seção de Resultados deste trabalho. Tabela 2 Normas técnicas utilizadas Procedimento Norma Técnica Preparo das Amostras ABNT NBR 6457/2004 Teor de Umidade Massa específica dos grãos Massa espec. aparente seca EMBRAPA (1997) EMBRAPA (1997) ABNT NBR 6508/ Ensaios de resistência ao cisalhamento Os ensaios de compressão triaxial basearam-se na metodologia descrita pela ATMS D 4767 (1995). Os corpos de prova foram moldados com 05 cm de diâmetro e 10 cm de altura, em três camadas, nas condições de umidade e compactação de campo, a partir de uma porção de solo coletada na superfície de ruptura. Três amostras foram então submetidas a ensaios triaxiais do tipo saturado, adensado, não drenado, com leitura de pressão neutra, nas pressões confinantes de 100 kpa, 200 kpa

6 e 300 kpa, com contra-pressão e saturação no equipamento (com medição do parâmetro de Skempton maiores que 95%). A Figura 6 mostra um dos triaxiais sendo realizado no equipamento pertencente ao Laboratório de Mecânica dos Solos I, do Centro Universitário Assis Gurgacz (FAG), Cascavel/PR. Figura 6: Ensaio triaxial em andamento. A partir destes ensaios, obtiveram-se os gráficos do comportamento tensãodeformação das amostras, bem como os círculos de Mohr e envoltória de ruptura, necessários para determinação dos parâmetros de entrada na simulação do talude: ângulo de atrito efetivo ( ) e intercepto coesivo efetivo (c ). Quanto à geometria do talude, foram assumidas as seguintes situações: Geometria A: Corte antes da escavação do bloco na base do talude; Geometria B: Corte após a escavação do bloco na base do talude. Quanto à saturação, foram consideradas as seguintes condições: Saturação 1: Solo completamente seco acima do nível d água, que segundo a média da sondagem SPT, encontravase a 12,5m de profundidade. Saturação 2: Solo completamente saturado. Por fim, ainda foi analisada a situação prevista como mais crítica: a geometria B sem a possibilidade de drenagem do talude, caso de resistência ao cisalhamento não-drenada (Su) da argila, chamado de B2 (Su). Dessa forma, foram cinco as configurações simuladas: A1 e A2 (Figura 7), B1 e B2 (Figura 8) e B2 (Su) Simulação em software Em seguida foram realizadas simulações por meio do software GeoStudio 2016 Pacote GeoSlope que calculou, para cada condição, as superfícies de ruptura com os menores fatores de segurança, por meio da metodologia de equilíbrio limite de Morgenstern-Price, Bishop, Janbu e Spencer (DAS, 2011). Foi considerado o talude como um maciço de solo, homogêneo, disposto em uma única camada, com comportamento pelo modelo de Mohr-Coulomb, a partir dos parâmetros efetivos obtidos, nas condições de drenagem e dissipação de poropressão mais favoráveis. Figura 7: Cima: Configuração A1 Baixo: Configuração A2

7 4.2. Ensaios Triaxiais Os resultados efetivos dos ensaios triaxiais são apresentados na Figura 9, no quadro superior estão as curvas tensãodeformação das três amostras submetidas às tensões confinantes de 100 kpa (curva inferior), 200 kpa (curva média) e 300 kpa (curva superior). O quadro inferior da Figura 9 mostra os Círculos de Mohr resultantes e a envoltória de ruptura obtida. Figura 8: Cima: Configuração B1 Baixo: Configuração B2 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 4.1. Caracterização do Solo O solo do local da ruptura apresentou na sondagem SPT um perfil composto por argila avermelhada mole à média nos primeiros 4,5m a 6,5m metros, seguida por argila mole à dura entre 4,5m a 7,5m, conforme visto na Figura 5. Quanto aos ensaios de laboratório, a Tabela 3 resume os valores médios obtidos do estado das amostras indeformadas retiradas. Tabela 3: Condição das Amostras Indeformadas Parâmetro Valor Obtido Teor de umidade de campo (w) 44,8% Massa específica do solo ( n) 1,58g/cm³ Massa espec. aparente seca ( d) 1,10g/cm³ Massa específica dos grãos ( s) 2,96g/cm³ Grau de saturação (s) 76,8% Figura 9: Cima: Triaxial, tensão x deformação Baixo: Triaxial, envoltória de ruptura Deste ensaio foram obtidos os valores do ângulo de atrito efetivo ( ) de 25,16 e o valor do intercepto coesivo (c ) de 31 kpa.

8 FS Médio Spencer Janbu Bishop Morgenstern- Price Configuração 4.3. Modelagem computacional A partir dos parâmetros efetivos e da condição do solo em campo (Tabela 3), foi possível obter os menores fatores de segurança para cada configuração (Tabela 4). Tabela 4: Menores Fatores de Segurança (FS) A1 2,147 2, ,147 2,151 A2 1,509 1,478 1,561 1,539 1,522 B1 1,878 1,860 1,912 1,878 1,882 B2 1,248 1,073 1,290 1,249 1,215 B2 (S u) 1,095 1,050 1,127 1,095 1,092 Nota-se que o talude se mostra bastante estável antes da escavação com solo seco (Configuração A1), apresentando FS médio de 2,15. Já o solo saturado antes da escavação (Configuração A2) sofre redução no FS, sendo o valor médio igual a 1,52. É notável que o maciço seja menos estável nestas circunstâncias que na Configuração B1 (solo seco após escavação), tal qual teve FS médio igual a 1,88. O maciço tem considerável perda de resistência ao cisalhamento quando se analisa o solo saturado após escavação, com a possibilidade de drenagem (Configuração B2). Sendo o FS médio calculado para essa situação igual a 1,21. Já no caso mais crítico, após escavação com solo saturado, sem a possibilidade de drenagem - Configuração B2 (Su) - o FS médio obtido foi de 1,09 (colapso iminente). Como exemplo dos resultados obtidos nas análises de estabilidade, apresenta-se na Figura 10 o resultado da simulação do menor FS encontrado (1,050), pelo Método de Bishop. Figuras 10: Exemplo Configuração B2 (S u) por Bishop Para que o talude, em seu estado mais crítico - após escavação com solo saturado - apresentasse o fator de segurança médio (FS) que satisfizesse a metodologia da norma (1,50), foi estimada na modelagem uma nova Geometria C (Figura 11). Dessa forma, estimou-se que a inclinação mínima teórica necessária deveria ser de 63,4, a qual é obtida por meio de um talude com relação 2:1 entre a altura e a base. Sendo esta inclinação 15% mais suave e com uma base 77% maior que a construída em obra. Figura 11: Geometria C, inclinação mínima teórica para obter-se FS igual a 1, CONCLUSÃO Com base nos resultados apresentados é possível concluir que:

9 Para a obra abordada neste estudo, a NBR 11682:2009 preconiza alto nível de segurança contra danos a vidas humanas e médio nível contra danos materiais. Nesses casos, o FS mínimo exigido é 1,50. Entretanto, o talude construído apresentava FS s aceitáveis apenas nas condições de solo seco (A1 e B1). Nas condições de solo saturado (A2, B2 e B2 (Su)), a norma não foi atendida. Os fatores conjuntos do elevado nível de precipitação (que fizeram o solo atingir níveis muito próximos à saturação completa) e da escavação de um bloco de fundação na base do talude (que tornaram a sua geometria mais crítica) diminuíram o valor do FS teórico mínimo médio a iminência do colapso do talude (1,09), o qual, em campo, refletiu na ruptura de fato. A relação 2:1 entre altura e base do talude, sugerida pela Geometria C, se mostrou adequada, estável e dentro das recomendações normativas, inclusive no caso mais crítico estudado. Dentre as diversas soluções técnicas que poderiam ter evitado a ruptura, é a mais simples, barata e rápida, quando comparada a aplicação de drenos ou de estrutura de contenção, considerando que havia espaço na obra. Agradecimentos Ao Instituto de Criminalística de Cascavel, por todo auxílio prestado e materiais concedidos. Ao Laboratório de Geotecnia (GEOTEC) da Universidade Estadual do Oeste do Paraná (UNIOESTE) e ao Laboratório de Mecânica dos Solos I do Centro Universitário Assis Gurgacz (FAG) pela disponibilização dos equipamentos para os ensaios. 6. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 11682: Estabilidade de taludes. Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6458: Grãos de pedregulho retidos na peneira de abertura 4,8 mm - Determinação da massa específica, da massa específica aparente e da absorção de água. Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6457: Amostras de solo - Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização. Rio de Janeiro, AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ATMS D : Consolidated Undrained Triaxial Compression Test for Cohesive Soils. West Conshohocken, PA, AZEVEDO, G. F.; CARVAJAL, H. E. M.; DE SOUZA, N. M. Análise de ameaça de deslizamentos pelo uso de abordagem probabilística aplicada a um modelo de estabilidade de taludes tridimensional. Geociências, v. 37, n. 3, p , BJERRUM, L.; HUDER, J.; Measurement of the Permeability of Compacted Clays. 4th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, v.1, p. 6-8, CLARKE, D.; SMETHURST, J.A. Effects of climate change on cycles of wetting and drying in engineered clay slopes in England. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, v.43, p , DAS, B.M. Fundamentos de Engenharia Geotécnica. Cengage Learning, São Paulo, 2011.

10 EMPRESA BRASILEIRA DE PESQUISA AGROPECUÁRIA - EMBRAPA. Manual de métodos de análise de solo. Serviço Nacional de Levantamento e Conservação de Solo. Rio de Janeiro, FILHO, F. C. S.; NETO, S. A. D. Avaliação da Segurança de um Talude Não-Saturado em Obra do Metrô de Fortaleza CE. V Conferência Brasileira de Estabilidade de Encostas COBRAE, São Paulo, silty loess and implications for landslides. Engineering Geology, 236, p , WANG, W.; GRIFFITHS, D. V. A case study of slope failure during construction of an open pit mine in Indonesia. Canadian Geotechnical Journal. v. 55, n. 999, p. 1-13, FRANCH, F. A. J.; FUTAI, M. M. Influência das Variações Sazonais de Pressão de Água na Estabilidade de Talude Não-Saturado. V Conferência Brasileira de Estabilidade de Encostas COBRAE, São Paulo, GUIDICINI, G.; NIEBLE, C.M. Estabilidade de Taludes Naturais e de Escavação. Edgard Blucher, p. 194, LENG, Y., PENG, J., WANG, Q., MENG, Z., HUANG, W. A fluidized landslide occurred in the Loess Plateau: A study on loess landslide in South Jingyang tableland. Engineering Geology, 236, p , MEIN, R.G.; LARSON, C.L. Modeling infiltration during a steady rain. American Geophysical Union, Washington, v. 9, n. 2, p , MORI, A., SUBRAMANIAN, S. S., ISHIKAWA, T., AND KOMATSU, M. A Case Study of a Cut Slope Failure Influenced by Snowmelt and Rainfall. Procedia Engineering, 189, p , QI, X.H.; LI, D. Q. Effect of spatial variability of shear strength parameters on critical slip surfaces of slope. Engineering Geology, 239, p , XU, L.; COOP, M. R.; ZHANG, M. S.; WANG, G. L. The mechanics of a saturated