UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA APOSTILA DE GEOLOGIA 6: PROCESSOS DE DINÂMICA SUPERFICIAL

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA DEPARTAMENTO DE GEOCIÊNCIAS APOSTILA DE GEOLOGIA 6: PROCESSOS DE DINÂMICA SUPERFICIAL PROF. Luiz Carlos Godoy PONTA GROSSA /2005

2 106 ÍNDICE 7 PROCESSOS DE DINÂMICA SUPERFICIAL Movimentos de Massa Rastejos Escorregamentos Movimentos de blocos rochosos Corridas Fatores que influem nos movimentos de massa Erosão Pluvial...115

3 107 7 PROCESSOS DE DINÂMICA SUPERFICIAL 7.1 Movimentos de Massa As vertentes (ou encostas) constituem vasto segmento do terreno (Fig. 81) sobre o qual atuam os processos da denudação. Apresentam declividades e formas variadas em função dos processos dominantes de intemperismo, erosão e transporte (movimentos de massa). Através da denudação os materiais previamente liberados pelo intemperismo são carreados até os cursos d'água, que são os responsáveis pelo transporte por distâncias maiores, e pelo entalhamento do relevo e rebaixamento do nível de base. Movimentos de massa constituem processos de dinâmica superficial em que rochas e materiais não consolidados são movimentados encosta abaixo, em resposta à força gravitacional. Corresponde a qualquer forma de desprendimento e transporte de manto de solo e rocha pela ação da gravidade, incluindo rastejamento, deslizamento, queda de rochas, avalanches, queda de barreiras, etc. Os movimentos de massa são eventos erosivo/deposicionais de grande importância como modeladores da superfície terrestre. Figura 81 - Perfil esquemático típico de encosta Os movimentos de massa ocorrem quando o esforço cisalhante supera a resistência do solo ao cisalhamento. O aumento do esforço cisalhante pode ser causado por características morfológicas desfavoráveis como declividade acentuada, descalçamento de taludes, etc., e a diminuição da resistência do solo ao cisalhamento pode ser causada pela saturação, pela meteorização, etc. Os parâmetros que influem nestes movimentos são: Tipo de material (tipo de rocha, espessura da camada intemperisada, composição do manto de intemperismo); Declividade, forma e comprimento da vertente; Características hidrológicas (infiltração, porosidade, permeabilidade, profundidade do nível freático, quantidade de água subterrânea, etc.); Processos geomorfológicos (erosão fluvial, solapamento de base, voçoroca, etc.); Fatores externos (distribuição e intensidade das chuvas, sismos naturais ou induzidos, cobertura vegetal, etc.). A força da gravidade proporciona a energia para o movimento de massa de solo e rocha encosta abaixo. Entretanto, este movimento é favorecido pela ação da água, pela geometria dos depósitos e pela natureza dos materiais. Assim, os processos que influenciam na instabilidade das vertentes são: Ressecamento do solo. Se o excesso de água é uma das causas de instabilidade, a falta de água também o é. Ao se desidratar, os solos, constituídos em grande parte por argilominerais expansivos, se contraem, produzindo fendas ou disjunções perpendiculares à direção em que os capilares perdem água, gerando polígonos irregulares que podem ser mobilizados encosta abaixo pela gravidade. Saturação do material de cobertura com água. A tensão superficial da umidade confere certa coesão ao solo. Porém, chuvas intensas obrigam a saída do ar dos poros do solo, destruindo a tensão superficial

4 e reduzindo a coesão da massa de solo. Simultaneamente, com a saturação do solo, a água dos poros entra sob pressão e separa os grãos individuais e fragmentos de rocha, diminuindo a fricção interna do material. Modificações por erosão. A erosão influencia na instabilidade porque altera a geometria do depósito, fazendo com que a declividade crítica da vertente seja ultrapassada ou através do solapamento de sua base. Além disso, a sobrecarga promovida pela deposição de materiais erodidos à montante intervém na estabilidade visto que modifica a declividade e, ao mesmo tempo, gera esforços adicionais em seu interior, alterando a estabilidade dos materiais. Variações de materiais e outras causas. Mudanças na natureza do solo (por meteorização ou por alteração natural ou artificial), esforços dinâmico (sismos naturais ou induzidos, tráfego de veículos, etc.), sobrecargas artificiais (acúmulo de lixo em encostas), intervenções antrópicas (cortes para estradas, construções, aterros, etc.). Os principais processos erosivos que operam nas vertentes, denominados genericamente de movimentos de massa são: Quadro 14 - Características dos principais movimentos de encosta na dinâmica ambiental brasileira (Augusto Filho, 1992) 108 PROCESSOS Rastejo (creep) Escorregamentos (slides) Quedas (falls) Corridas (flows) CARACTERÍSTICAS DO MOVIMENTO, MATERIAL E GEOMETRIA Vários planos de deslocamento (internos) Velocidades muito baixas (cm/ano) a baixas e decrescentes com a profundidade Movimentos constantes, sazonais ou intermitentes Solo, depósitos, rocha alterada/fraturada Geometria indefinida Poucos planos de deslocamento (externos) Velocidades médias (m/h) a altas (m/s) Pequenos a grandes volumes de material Geometria e materiais variáveis Planares solos pouco espessos, solos e rochas com um plano de fraqueza Circulares solos espessos homogêneos e rochas muito fraturadas Em cunha solos e rochas com dois planos de fraqueza Sem planos de deslocamento, Movimentos tipo queda livre ou em plano inclinado Velocidades muito altas (vários m/s) Material rochoso Pequenos a médios volumes Geometria variável: lascas, placas, blocos etc. Rolamento de matacão Tombamento Muitas superfícies de deslocamento (internas e externas à massa em movimentação) Movimento semelhante ao de um líquido viscoso Desenvolvimento ao longo das drenagens Velocidades médias a altas Mobilização de solo, rocha, detritos e água Grandes volumes de material Extenso raio de alcance, mesmo em áreas planas Rastejos São movimentos extremamente lentos (cm/ano) e contínuos de materiais superficiais encosta abaixo, por ação da gravidade. Basicamente se dá pela movimentação como um todo, do manto de alteração de uma encosta, deslocando e abrindo fendas nas partes inferiores (solo residual e rocha). Corresponde a uma deformação de caráter plástico, cuja geometria não é bem definida e que também não apresenta o desenvolvimento de uma superfície definida de ruptura, afetando grandes áreas. Com o aumento da velocidade pode se transformar em um escorregamento. A existência de rastejo numa área pode ser notada pela inclinação de árvores, cercas ou postes (Fig. 82). Normalmente, este é um dos movimentos mais lento que existe, mas com o aumento da saturação

5 de água no solo, ele pode assumir uma maior velocidade, tornando-se um perigo para as construções que existem nesta vertente ou neste vale: os rastejos podem evoluir para escorregamentos, servindo como um indicador para movimentos mais rápidos. Em quase todos os terrenos que apresentam alguma inclinação, verifica-se a ocorrência de movimentos lentos na forma de rastejos. As velocidades desses movimentos variam durante o ano, principalmente nas camadas superficiais do talude. À medida que o talude aproxima-se da ruptura, as velocidades aumentam. Entretanto, solos ou rochas submetidos a movimentos de rastejo não necessariamente atingirão a ruptura. Um talude pode suportar tensões superiores àquelas necessárias para provocar deformações por rastejo sem chegar a sua completa instabilização. De maneira geral, o rastejo contribui para uma diminuição gradual da resistência do material. Os rastejos podem causar danos significativos em taludes e encostas adjacentes a obras civis. Podem também causar problemas nas fundações de pilares de pontes, viadutos, etc Figura 82 Desenho de vertente sofrendo rastejo ( massmov/massmov.html) e árvore com tronco encurvado devido ao rastejamento da encosta (epod.usra.edu/ archive/images/). As instabilizações de encostas naturais e taludes em geral são considerados movimentos de massas propriamente ditos quando são formados a partir da ruptura de uma certa porção de material que forma o talude, a qual se destaca da massa remanescente na forma de: escorregamento (deslizamento), queda, tombamento, rolamento, ou escoamento Escorregamentos Contrariamente ao rastejo, o escorregamento afeta parcialmente o manto de alteração de uma encosta, possui limites (superfície de ruptura) bem definidos, tanto em profundidade como lateralmente. Consistem no movimento rápido de massas de solo ou rocha sobre encostas íngremes, geralmente bem definidas quanto ao seu volume, cujo centro de gravidade se desloca para baixo e para fora de um talude, por ação da gravidade. Este tem sido o tipo de movimento de massa mais comum nas regiões tropicais e subtropicais e, pela intensidade e velocidade com que ocorre, tem causado muitas mortes e perdas materiais. São desencadeados por chuvas intensas, interferências na encosta (cortes, construções) e remoção da cobertura vegetal; originam os corpos de tálus, onde há mistura de solo e fragmentos de rocha em proporções variáveis. O mecanismo de deformação envolvido nestes processos apresenta um regime diferente do rastejo, ocorrendo por aumento das tensões atuantes ou queda da resistência, ou combinações destes mecanismos, que levam os terrenos, que constituem os taludes e encostas naturais, a rupturas por cisalhamento. Os escorregamentos, também denominados deslizamentos, caracterizam-se pela formação de uma superfície de ruptura bem definida, onde há uma grande concentração de deformações cisalhantes. Podem ser rotacionais, translacionais ou na forma de cunha, dependendo da geometria e da natureza do material que instabilizam. Nos escorregamentos rotacionais, uma parte do material que forma o talude desliza como um todo, sem sofrer distorção significativa, ao longo de uma superfície bem definida que apresenta forma côncava, sendo comum a ocorrência de uma série de rupturas combinadas e sucessivas (Fig. 83 e 84). Geralmente

6 são profundos e ocorrem, principalmente, em solos coesivos relativamente homogêneos. Os escorregamentos rotacionais também podem ocorrer em transição solo-rocha (saprolitos) ou rochas muito fraturadas e alteradas. Em solos argilosos homogêneos, a superfície de ruptura se aproxima muito de um arco de círculo. Quando o material não é uniforme, a superfície de ruptura raramente é circular, podendo sua forma ser afetada por planos de estratificação, juntas, falhas, contatos entre materiais de resistências diferentes e outras descontinuidades. Uma superfície de ruptura não circular provoca distorção na massa em movimento. Geralmente ocorrem em função de condições de elevadas poro-pressões ao longo da superfície de escorregamento. 110 Figura 83 Escorregamento rotacional ( massmov/massmov.html). Fig. 84 Grande escorregamento em área urbanizada ( massmov/massmov.html). Os escorregamentos translacionais ou planares ocorrem ao longo de planos de estratificação, falhas, fraturas ou contatos geológicos que se apresentam aproximadamente paralelos à superfície do talude, de forma que o movimento da massa deslizante é essencialmente de translação (Fig. 85). Podem ocorrer em solos, rochas ou nos contatos solo/rocha. Os escorregamentos translacionais rasos normalmente estão associados à perda de resistência devido à infiltração de água de chuva. Os escorregamentos mais profundos geralmente refletem condições desfavoráveis de poro-pressões na superfície de escorregamento. Os escorregamentos translacionais são processos muito freqüentes nas encostas serranas brasileiras, envolvendo solos superficiais, freqüentemente até o contato com a rocha subjacente, alterada ou não. Também ocorrem em solos de alteração de rocha (saprolitos) e rochas, sendo condicionados por estruturas planares desfavoráveis à estabilidade como xistosidade, fraturas, falhas, etc.

7 111 Figura 85 Escorregamento translacional ( Os escorregamentos na forma de cunha são condicionados por estruturas geológicas que permitem uma compartimentação do maciço na forma de blocos. Os escorregamentos ocorrem através das superfícies limítrofes desses blocos, na forma de cunhas. O eixo da movimentação ocorre ao longo da intersecção dos planos de fraqueza destas estruturas geológicas (Fig. 86). Em geral estão relacionados à elevação de poro-pressões na superfície de escorregamento ou à ocorrência de pressões hidrostáticas de preenchimento de fendas ou outras descontinuidades. Estes processos são mais comuns em taludes de corte ou em encostas que sofreram algum tipo de desconfinamento, natural ou antrópico. Os escorregamentos na Serra do Mar, associados às chuvas tropicais, já haviam sido observados por Martim Francisco Ribeiro de Andrade, em 1805, próximo a Cananéia (SP). Esses fenômenos recorrentes de escorregamentos de grandes proporções estão associados a períodos de intensa pluviosidade. Lopes (1986) analisou as encostas da Serra do Mar em termos evolutivos, relacionando características geológicas e geomorfológicas às condições de estabilidade do perfil da encosta. O autor demonstra como as encostas côncavas, que já foram palco de escorregamentos no passado, constituem o novo perfil de equilíbrio do maciço. Por outro lado, as encostas convexas, onde a taxa de intemperismo ultrapassa a de erosão, tendem a se aproximar da ruptura, adquirindo forma côncava para restabelecer o perfil de equilíbrio. Figura 86 Escorregamento em cunha Movimentos de blocos rochosos Os processos de movimentos de blocos rochosos consistem nos deslocamentos, por gravidade, de blocos de rocha, podendo ser classificados em vários tipos, conforme descritos a seguir (Fig. 87). Queda de blocos envolve materiais rochosos de volume e litologia diversos, que se destacam de taludes ou encostas íngremes e se deslocam em movimentos extremamente rápidos tipo queda livre. Esse tipo de movimento consiste na separação de uma determinada porção de material de um trecho muito íngreme da encosta, seguida de queda e acúmulo no pé da encosta. O material destacado do talude desce em queda livre, podendo durante o seu percurso atingir outros pontos da encosta, provocando novas instabilizações. O depósito formado pode atingir vários metros de espessura, dependendo da morfologia da área de acúmulo. Por outro lado, a morfologia da encosta condiciona a distância percorrida pelo material em movimento. Em algumas situações, os blocos podem percorrer longas distâncias. A maioria das quedas de materiais envolve blocos de rocha em encostas íngremes. Podem ser provocados

8 também pelo solapamento da base de taludes pela ação de rios, lagos ou do mar. Em geral, os movimentos são muito rápidos, podendo ou não ser precedidos por movimentos menores que levam à separação progressiva da sua localização de origem. Os tombamentos consistem na rotação de uma massa ou de vários blocos rochosos em torno de um ponto, condicionado pela presença de estruturas geológicas no maciço rochoso, com grande mergulho. Atuam no sentido da instabilização, a força da gravidade e as pressões dos fluidos que preenchem as descontinuidades. Desenvolvem-se a partir de superfícies de descontinuidades de origem tectônicas e/ou sedimentares. São comuns em encostas verticais associadas a juntas de alívio de tensões ou fendas de tração paralelas à superfície da encosta. Os rolamentos de blocos de rocha costumam ocorrer como evento subseqüente a uma queda ou tombamento, nos casos em que tais blocos apresentam forma geométrica tal que permita esta dinâmica de movimentação. Corresponde a movimento, ao longo de superfícies inclinadas, de blocos rochosos que, geralmente, encontram-se parcialmente imersos em matriz terrosa, destacando-se dos taludes e encostas por perda de apoio. Desplacamento consiste no desprendimento de lascas ou placas de rocha que se formam a partir de estruturas (xistosidade, acamamento, etc.), devido às variações térmicas, ou por alívio de tensão. O desprendimento pode se dar em queda livre ou por deslizamento ao longo de uma superfície inclinada. 112 Figura 87 - Queda, tombamento e rolamento de blocos rochosas, segundo Santos Oliveira & Alves Brito (1998), e desplacamento ( Corridas Caracteriza-se pela afluência de grande quantidade de material para a drenagem. A parte argilosa deste material se mistura com a água formando um líquido viscoso (lama), com alta plasticidade que flui para as partes baixas. Pela sua velocidade e densidade elevadas possuí alto poder destrutivo e extenso raio de ação. Normalmente a fonte do material que aflui para a drenagem são escorregamentos que ocorrem a montante. Estão associados a índices pluviométricos elevados. São movimentos que se assemelham a avalanche. Nos escoamentos, o material em movimento sofre intensa fragmentação durante o processo de instabilização, passando a se comportar como um fluido viscoso. A velocidade desse tipo de movimento

9 pode variar desde lenta até muito rápida. Dependendo do material envolvido no movimento, os escoamentos podem ser subdivididos em: escoamentos ou corridas de solo ou detritos e escoamentos ou corridas de lama. As corridas de massa recebem diferentes denominações, dependendo das características do material mobilizado (textura), conteúdo d'água e das velocidades de deslocamento. Na literatura nacional e internacional utilizam-se termos como: corrida de lama (mud flow), consistindo de solo com alto teor de água; corrida de terra (earth flow), cujo material predominante também é o solo, mas com teor menor de água; e corrida de detritos (debris flow), cujo material predominante é grosseiro, envolvendo fragmentos de rocha de vários tamanhos. Nas corridas de detritos ( debris flow ), o material apresenta granulometria grossa. Esse tipo de movimento ocorre, em geral, durante fortes precipitações pluviométricas que provocam o escoamento superficial de grande quantidade de água. Os depósitos de encosta do tipo tálus de pequena espessura, localizados nos leitos e nas margens de talvegues de regiões montanhosas, se constituem nos materiais mais susceptíveis de serem remobilizados durante os escoamentos. Os escoamentos do tipo corridas de lama diferem do anterior pela granulometria do material em movimento. Como normalmente o material envolvido é de natureza argilosa e siltosa, apresentam-se muito fluidos, podendo percorrer distâncias muito longas. Podem ser identificados dois mecanismos básicos para a deflagração das corridas de massa: 113 Origem primária: formação das corridas a partir da desestruturação total do material mobilizado de escorregamentos nas encostas, como foi o caso de Caraguatatuba, em 1967; Origem secundária: formação das corridas nas drenagens principais a partir da remobilização de detritos acumulados no leito e por barramentos naturais, acrescidos do material de escorregamentos nas encostas e de grandes volumes de água gerados em picos de cheias nas drenagens. O processo de corrida de massa está associado à dinâmica de evolução das vertentes de relevos montanhosos e, portanto, é natural que mostre certa recorrência ao longo do tempo. Todavia, a ocupação de encostas (pelos diferentes tipos de atividade modificadora) sem determinados critérios técnicos pode antecipar e ampliar o processo. Corridas associadas a rupturas de aterro, em cabeceiras de drenagem, apresentando greides suaves e depósitos de argila orgânica, também têm sido responsáveis por alguns acidentes importantes, como em Campos do Jordão (SP), em 1972 (Guidicini e Nieble, 1976); e Contagem (MG), em 1992 (Fig. 89). Figura 88 Corrida de massa ao longo de canal fluvial (

10 114 Figura 89 - Perfis pré e pós-corrida de massa de Contagem/MG (Dam Projetos de Engenharia, 1992) Fatores que influem nos movimentos de massa 1. Excesso de infiltração de água; 2. Presença de estratificação nas rochas; 3. Presença de falhas, diáclases e juntas; 4. Xistosidades; 5. Ação antrópica; 6. Ausência de drenagem; 7. Ausência de impermeabilização 8. Ausência de elementos para fixação do solo, etc. As principais medidas preventivas para evitar ou diminuir os riscos de escorregamentos são: a) Promover uma caracterização geotécnica detalhada dos materiais incluindo: a.1) Execução de furos de reconhecimento, a percussão, com diâmetro de 2 polegadas, para determinação das camadas de solo, suas espessuras e resistência à penetração. a.2) Sondagem rotativa para penetrar no solo residual mais resistente e penetrar na rocha de modo a verificar as condições dos mesmos. a.3) Determinação detalhada do lençol freático a qual poderá ser feita através dos furos de sonda. a.4) Obtenção de amostras indeformadas para ensaios de laboratório. a.5) Execução de ensaios de permeabilidade "in situ" e ensaios de perda d água, os quais poderão ser executados nos furos de sonda rotativa. a.6) Levantamento topográfico detalhado da área. b. Considerar os índices pluviométricos da região; c. Calcular os taludes mais adequados para cada caso; d. Dependendo do caso poderão ser adotadas as seguintes soluções: d.1) Execução de taludes bermados com canaletas para drenagem; d.2) Impermeabilização da superfície do talude com material betuminoso; d.3) Perfuração do talude e colocação de tubos perfurados para drenagem profunda (tubos drenos); d.4) Cobertura do talude com vegetação para fixação do solo; d.5) Execução de cortinas atirantadas; d.6) Construção de muros de arrimo, etc.

11 7.2 Erosão Pluvial A ação erosiva das chuvas sobre as encostas pode se dar na forma de: a) Erosão laminar: quando ocorre um escoamento em lençol sobre a superfície do talude provocando o carreamento de partículas de maneira relativamente uniforme. b) Sulcos ou ravinas: incisões no terreno formadas pelo fluxo concentrado em um canal. c) Voçorocas: consistem no aprofundamento de ravinas; diferem dessas pela sua geometria e dimensões. As voçorocas podem atingir vários metros de profundidade e largura, sendo classificadas como tal quando ultrapassam 2,0m de profundidade e de largura. Nas voçorocas podem se desenvolver vários fenômenos: erosão superficial, erosão interna, quedas e escorregamentos das superfícies laterais. Geralmente se iniciam como ravinas, com seção transversal típica em forma de V antes de atingir o N.A., passando a um formato característico em U após o atingirem, quando então podem ser consideradas voçorocas típicas. Nestas condições passam a evoluir principalmente por solapamento das paredes laterais e por erosão interna ( piping ) na cabeceira, seguido de quedas do material solapado ou enfraquecido pela erosão interna. d) Erosão subterrânea remontante (piping), gerada pela infiltração e escoamento subterrâneo concentrado, quando galerias ou túneis são escavados em materiais incoesos (sedimentos, regolito), freqüentemente dando origem a voçorocas (a jusante) e/ou abatimentos do terreno (a montante). 115