A sucção no Contexto dos Processos Erosivos

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1 A sucção no Contexto dos Processos Erosivos José Camapum de Carvalho Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, Marisaides Goutte GINGER CEBTP - Agence d'angers, Ingénieur Géotechnicien, m.goutte@groupe-cebtp.com Gilson de Farias Neves Gitirana Jr. Universidade Federal de Goiás, gilsongitirana@gmail.com Márcia Maria dos Anjos Mascarenha Universidade Federal de Goiás, Goiânia, Brasil, marciamascarenha@gmail.com Renato Cabral Guimarães Furnas e Universidade Estadual de Goiás, Goiânia, Brasil, renatocg@furnas.com.br Marta Pereira Luz Furnas e Pontifícia Universidade Católica de Goiás, Goiânia, Brasil,martapluz@gmail.com RESUMO: Os processos erosivos ocorrem principalmente nos países de clima tropical gerando importantes degradações ambientais e custos socioeconômicos. As causas são geralmente antrópicas, mas tanto nas erosões superficiais como nos sulcos, ravinas e voçorocas as alterações de sucção terminam sendo um fator de grande relevância nos processos de deflagração, evolução e mesmo de controle das mesmas. A sucção deve ser vista, paradoxalmente, como elemento de estabilização e desestabilização estrutural do solo. Enquanto atuante ela é estabilizadora, pois confere mais resistência ao solo. Quando em crescimento ela pode contribuir para limitar ou ampliar o processo erosivo, limitando enquanto contribuidora para a maior resistência do solo e ampliando quando gera fissuras e trincas no maciço facilitando a infiltração de águas pluviais. Quando submetida à redução ela geralmente impacta o processo erosivo por um lado por reduzir a resistência do solo facilitando mecanismos como o da ruptura de talude, e por outro, por instabilizar estruturalmente o solo ao gerar pressões positivas na fase ar presente nos poros. A sucção é ainda relevante nos processos de revegetação dos taludes das erosões sendo a sua avaliação imprescindível na avaliação da possibilidade de sobrevivência da(s) espécie(s) vegetal escolhida(s). No artigo tais aspectos serão analisados contextualizados em relação ao manto de intemperismo, pois é sabido que o impacto da sucção sobre o comportamento do solo está diretamente relacionado às propriedades físico-químicas, mineralógicas e estruturais do solo. O trabalho mostra a relevância de se considerar a sucção nas análises dos processos erosivos em regiões tropicais e ao final realça sua importância para o caso de erosões de borda de reservatórios. PALAVRAS-CHAVE: Erosão, Estrutura, Sucção, Solos Tropicais, Solo não Saturados INTRODUÇÃO Em regiões tropicais continentais os processos erosivos geralmente se iniciam no manto de intemperismo não saturado e podem atingir o nível freático. O seu início se deve ao fluxo superficial dando origem a erosão laminar. Nessa fase inicial a concentração do fluxo dá origem a sulcos e quando esse sulcos se ampliam dão origem as ravinas que ao atingirem o lençol freático passam a ser intituladas voçorocas. Em qualquer dessas fases a sucção termina exercendo uma grande influência tanto na deflagração como na evolução do processo erosivo.

2 Em muitos casos existem outros aspectos como é o caso das erosões de Manaus estudadas por Lima (999) em que a geologia estrutural assume papel de grande relevância sem que, no entanto, a sucção deixe de desempenhar o seu papel. A geomorfologia e a própria forma da erosão terminam por exercer influência na sucção e, por consequência, no modo como a erosão evolui Jesus (03). Esse artigo tratará do tema sucção no contexto dos processos erosivos buscando analisar e estabelecer os mecanismos como ela exerce influência na deflagração e evolução dos processos erosivos. Para facilitar o entendimento e as discussões o artigo tomará por base um perfil de intemperismo típico do Distrito Federal e que guarda semelhança com os característicos das erosões estudadas por Lima (003). Alguns resultados obtidos por Lima (003) serão usados para ilustrar os mecanismos de degradação dos maciços no contexto da atuação dos gradientes de sucção. Considerando essa análise fundamentada em erosões continentais discute-se brevemente os mecanismos de ocorrência e evolução de erosões de bordo de reservatórios. PROPRIEDADES DE UM PERFIL DE INTEMPERISMO. Propriedades Físicas A Tabela apresenta as propriedades físicas do perfil de solo considerado nas análises apresentadas nesse artigo. Observa-se desses dados que nesse perfil o solo encontra-se com a fração argila em grande parte agregada até 8 m de profundidade, o que marca o manto de solo profundamente intemperizado. A partir dessa profundidade ele se torna menos argiloso, porém, com maior plasticidade e mais ativo devido à presença de minerais argilosos mais jovens na escala de transformação por intemperismo. Cabe destacar que a 0 m de profundidade o teor de argila sem defloculante (SD) é superior ao com defloculante (CD) o que ocorre regionalmente quando da presença de ilita, que ao interagir com o hexametafosfato de sódio tende a flocular. Esse seria o fenômeno que explicaria o aumento do coeficiente de atividade de Skempton (Ia) nessa profundidade. Tabela. Resultados dos ensaios de caracterização (Guimarães, 00). Parâmetro Profundidade (m) s (kn/m 3 ),8,78, 5,97,9 5,75,5,5 7,5 7, d (kn/m 3 ) 0,3 0,,9,,9,98,8 3,8 3,8 3,9 n (%),, 5,0 55,9 55, 53,5 5,7 7, 9,0 5,9 Pedregulho CD 0, 0, 0,7 0,8,,,3 3, 0, 0,0 Areia CD,5,5, 33,7 3, 5,7,7 33,8 0, 3, Silte CD,9 9, 5,7,3,5,9, 7, 80, 93, Argila CD 33, 9, 3,0 39, 0,5 9,3 8, 35, 8,8 3, Pedregulho SD 0, 0, 0,7 0,8,,,3 3, 0, 0,0 Areia SD 5, 5, 53, 53,0 9, 3,9 30,,0 0,, Silte SD, 35,9 3, 3, 8,,,9 5,9 8,8 79,5 Argila SD, 7,7,9 3, 0,8, 3,7,5, 9, w L (%) w P (%) IP (%) Ia 0,9 0,33 0,30 0,9 0, 0, 0, 0,,00,7 Essas propriedades físicas mostradas na Tabela já apontam para algumas peculiaridades a serem consideradas na análise da influência da sucção na deflagração e evolução dos processos erosivos como é o caso da relação entre o arranjo estrutural e a erosão no que diz respeito à atuação da sucção.. Arranjo Estrutural A Figura apresenta uma imagem da estrutura

3 típica dos solos argilosos profundamente intemperizados. Nessa imagem observa-se a presença dos agregados colocados em destaque ao se comparar os teores de argila constantes da Tabela obtidos com e sem o uso de defloculante. Nesse perfil de intemperismo o solo até a profundidade de 8 m encontra-se estruturalmente formado por agregados possuindo macroporos entre eles (Figura ) e microporos em seu interior (Figura ). A partir de 9 m os agregados praticamente deixam de existir dando lugar a partículas individualizadas e a pacotes de argila (Figura 3). valores de sucção (5 a 0 kpa). Já nos períodos de seca eles tendem a se desidratarem podendo conduzir o solo a elevados valores de sucção por atingirem o domínio dos meso e microporos. Figura 3. Solo pouco intemperizado, profundidade 0 m. Figura. Solo profundamente intemperizado, profundidade m. Figura. Agregado, profundidade m. O alto teor de agregados no manto mais intemperizado geralmente indica um maciço bem drenado, sendo a presença dos macroporos entre os agregados responsáveis por essa boa drenagem. Nos períodos de maior precipitação esses macroporos tendem a ser preenchidos por água fazendo com que predominem pequenos Essa situação específica relativa ao baixo nível de hidratação dos macroporos com consequente presença de sucções elevadas tende a ser a situação mais crítica em relação à ocorrência de erosão superficial, pois com a precipitação e infiltração da água da chuva gera-se significativa pressão neutra positiva na fase ar e quando esta ultrapassa a coesão real do solo este é levado a instabilizar-se estruturalmente propiciando a ocorrência do processo erosivo. O maciço em si, nessa condição de elevada sucção, tende a ser do ponto de vista mecânico, quase sempre mais estável. No caso dos solos pouco intemperizados a sucção também atua facilitando a erosão superficial, mas os mecanismos são outros. No caso da presença de pacotes de argila a diminuição da sucção entre as partículas quando da precipitação e infiltração da água da chuva as libera umas em relação às outras facilitando a ocorrência da erosão superficial. Sendo as partículas de argila expansivas ocorre ainda o fenômeno de instabilização estrutural devido à expansão dos argilominerais, o que igualmente favorece a ocorrência de erosão superficial. Esses mecanismos também ocorrem facilitando o solapamento de bases de taludes de ravinas e voçorocas, em profundidades no domínio dos solos pouco intemperizados.

4 .3 Propriedades mineralógicas A Tabela (Carvalho, 995) mostra que o teor de gibbsita do perfil de solo situa-se em torno de 0% até a profundidade de m de onde passa a diminuir tornando-se ausente aos 9 m de profundidade. Já os teores de caulinita mantem-se inferiores a 0% até a profundidade de m passando a aumentar até a profundidade de 8 m. A ilita surge aos m de profundidade e se mantém praticamente constante até os 9 m. O quartzo por ser um mineral primário resistente ao intemperismo se mantém presente ao longo de todo o perfil. Tabela. Características mineralógicas (Carvalho, 995) Profundidade (m) Mineral (%) gibbsita caulinita quartzo Goethita ilita 39, 8,3 3,5 3,5 0,0,7,9 9, 3, 0,0 3 38,7 5, 37,,7 0,0 3,3 8,7,, 0,0 5 3,,7 9, 0,0 0,0 7, 7,5 5,7 0,0,9 7 9, 7, 8,9 0,0 5,7 8 3,7, 9, 0,0 7,9 9 0,0 30,9 7, 0,0 7, 0 0,0 37,,5 0,0, Desses resultados conclui-se que os quatro primeiros metros do perfil de intemperismo podem ser considerados como correspondentes à zona ativa sendo que os oito primeiros metros podem ser entendidos como já submetidos a um intemperismo intenso. O aumento do teor de ilita aos 0 metros mostra que nessa profundidade o solo já se encontra em estado menos intemperizado. Cabe ainda ressaltar que sendo praticamente constante o somatório dos teores de gibbsita, caulinita e ilita até os 0 m de profundidade esse perfil de intemperismo é provavelmente de origem residual. A forma de distribuição mineralógica verificada nesse perfil de solo é típica dos perfis de intemperismo regionais. Nele, onde há presença marcante de gibbsita o solo encontra-se geralmente na forma agregada (Figura ) conforme pode ser verificado nos resultados de granulometria mostrados na Tabela. Nesse estado o solo apresenta curva característica bimodal com predomínio de macroporosidade, sendo, portanto, solos bem drenados com sucções variando muito entre períodos de chuva e de estiagem. Com isso pelos motivos já expostos na análise textural estes são solos que podem ser facilmente degradados por diminuições de sucção que impõem pressão neutra positiva na fase ar presente no solo. Quando se penetra nos solos menos intemperizados como o verificado a 0 m de profundidade passa a predominar uma estrutura com porosidade uniforme ou bem graduada, segundo o solo, dando origem a uma curva característica monomodal. Nesses materiais a pressão de entrada de ar varia com a mineralogia sendo geralmente pequena em solos arenosos e elevada em solos argilosos e siltosos. A gradação da curva característica estará associada à distribuição de poros sendo pouco variável em solos com porosidade uniforme e apresentando importante gradação em solos com distribuição de poros bem graduada. Logo, a mineralogia conjuntamente com a porosidade e distribuição de poros vai ditar a forma como a sucção será suscetível de intervir no processo erosivo, lembrando que quase sempre o relevante é o nível de variação e a forma como varia a sucção. Se a variação é importante ela pode, por exemplo, impactar na estabilidade de talude e se ela se dá de forma rápida pode gerar pressão positiva na fase ar e propiciar a instabilização estrutural do solo.. Curva Característica de Retenção de água A sucção matricial do solo é geralmente associada à sua umidade e porosidade. No entanto, nos solos tropicais profundamente intemperizados deve-se ainda levar em conta a distribuição de poros. A título de exemplo da influência desses parâmetros na forma das curvas características, as Figuras e 5 apresentam respectivamente em função da umidade e do grau de saturação os resultados obtidos para amostras naturais coletadas a m, 8 m e 0 m de profundidade no mesmo perfil de intemperismo que vem sendo considerado. Observa-se que a m de profundidade a curva característica é bimodal sendo que a entrada de ar no solo se dá pelos macroporos a um pequeno valor de sucção, aproximadamente

5 pf (ua-uw), kpa pf pf (ua-uw), kpa kpa. Já a 0 m de profundidade ela é monomodal e apresenta valor de entrada de ar no solo bem superior ao apontado para a profundidade de m, aproximadamente 80 kpa. 5 3 m 8m 0m mantidas as agregações presentes no solo a compactação oriunda de ciclos de molhagem e secagem, pisoteio de animais e passagem de máquinas interferirá predominantemente na macroporosidade tornando o solo saturável a menores teores de umidade ao mesmo tempo em que para um mesmo grau de saturação, dependendo da localização do Sr na curva característica, o solo quando submetido à redução do índice de vazios estará sujeito a sucção mais elevada gerando reflexos no processo erosivo m Nat m PN m PI w (%) Figura. Curvas características em função da umidade (modificado Guimarães 00). 5 3 m Nat 8m Nat 0m Nat Sr (%) Figura 5.Curvas características em função do grau de saturação (Sr), (modificado Guimarães 00). Portanto, no perfil de intemperismo não só a forma da curva característica muda com o nível de intemperização do solo como também os próprios valores de sucção para uma determinada condição específica de umidade e/ou porosidade global variam. De modo a melhor colocar em evidência a influência da porosidade na curva característica a Figura apresenta para a profundidade de m, além dos resultados obtidos para o solo natural os resultados obtidos para o solo compactado nas energias Proctor normal e intermediário. Observa-se nessa figura que o gráfico obtido para o solo natural apenas se desloca em função do fechamento da macroporosidade em consequência da compactação, ou seja nos solos tropicais profundamente intemperizados se , Sr (%) Figura..Curvas características em função de Sr para o solo natural e compactado (modificado Guimarães 00). Cabe salientar que a redução da porosidade do solo superficial em áreas submetidas a práticas agrícolas, quando essa se dá em seguida à desagregação do solo em consequência do uso de insumos químicos podem mudar completamente a forma da curva característica gerando impacto distinto no processo erosivo. A Figura 7 mostra as variações de sucção ao longo do ano nesse perfil de intemperismo. Verifica-se nessa figura que as variações mais significativas de sucção ocorrem na zona ativa correspondente aos três primeiros metros e ao atingir o solo menos intemperizado. No que se refere à influência da sucção no processo erosivo pode-se dizer, a grosso modo, que na zona ativa suas variações exercerão grande influência na erosão superficial por gerar no processo de infiltração da água da chuva pressão positiva na fase ar que será tanto maior quanto mais elevada for a sucção inicial, podendo assim gerar a instabilidade estrutural do solo e facilitar a ocorrência desse tipo de erosão. Já no contato com o solo menos 0

6 Profundiade (m) intemperizado sua influência será mais significativa sobre a estabilidade dos taludes das erosões, pois a resistência do solo não saturado dependerá diretamente do valor da sucção Sucção (kpa) Tais alterações químico-mineralógicas e estruturais afetam a curva característica de retenção de água e o comportamento hidromecânico do solo. A Figura 0 (Lima, 003) mostra para amostras coletadas a 3 m de profundidade em dois poços, poço e poço, localizados respectivamente à 3 m e 0 m da face do talude da erosão, que a amostra coletada a maior distância encontra-se com maior macroporosidade que aquela que se encontra próximo à face do talude indicando assim que parte do maciço próximo ao poço foi degradado conduzindo finos para o local desse poço em consequência das novas condições de drenagem impostas pela incisão erosiva. nov/97 fev/00 ago/00 Figura 7. Perfis de sucção (modificado, Guimarães, 00 e Mascarenha, 003). Além dessas influências da sucção no processo erosivo ela atua ainda e de modo marcante no processo de alteração físicoquímica do solo e por consequência no comportamento hidromecânico do maciço conforme mostrado por Lima (003). Nas ravinas e voçorocas ao se alterar as condições de drenagem em função da incisão erosiva e das novas formas impostas ao relevo o maciço é frequentemente submetido a importantes gradientes de sucção, gradientes estes geralmente superiores aos anteriormente atuantes, o que induz a sua rápida alteração. Figura 8..Oxi-hidróxidos de ferro e alumínio (gibbsita, hematita e goethita), erosão Ceilândia (Lima, 003).5 Alteração do Maciço junto aos Taludes das Erosões A Figura 8 apresenta os resultados dos somatórios de oxi-hidróxidos de ferro e alumínio obtidos para as frações argila e total oriundas de amostras coletadas a m, 3 m e 7 m de profundidade a diferentes distâncias do bordo da erosão Ceilândia estudada por Lima (003). Essa movimentação de compostos químicos corresponde a um processo de esqueletização do maciço que impacta não só na porosidade como na própria textura como mostra a Figura 9 (Lima, 003). Figura 9. Textura, erosão Ceilândia (Lima, 003)

7 pf e x pf Poço Poço 8 POÇO c = 7, kpa = 8,º Grau de saturação (%) Figura 0. Curva característica, erosão Ceilândia (Lima, 003). Essa degradação do maciço intervém no comportamento mecânico do solo como mostram as Figuras e cujos resultados foram obtidos em ensaios de cisalhamento direto realizados sobre amostras coletadas a 3 m de profundidade nos poços e, sendo que nessa profundidade no poço o solo não estaria ou estaria sendo pouco afetado pelas novas condições de drenagem conforme mostram os resultados de análise físico- químicas apresentadas nas Figuras 8 e 9. Tal influência no comportamento mecânico pode levar ao comprometimento da estabilidade dos taludes da erosão. No caso dessa erosão Ceilância, Lima (003) mostrou por meio de análise de estabilidade de taludes considerando-se os resultados de resistência obtidos para os perfis de solo na direção horizontal e correspondentes aos poços e, que o coeficiente de segurança obtido em equilíbrio limite para um talude inclinado de 70º e com altura de 5 m passou de,33 na condição pouco degradada do poço para,8 na condição mais degradada do poço. 3 A SUCÇÃO NO CONTEXTO DAS EROSÕES DE BORDO DE RESERVATÓRIOS Os aspectos realçados ao longo desse artigo objetivaram subsidiar a contextualização da sucção em relação aos processos erosivos que ocorrem nos bordos de reservatórios artificiais voltados para diferentes finalidades como abastecimento de água e geração de energia. 0 POÇO c = 0 kpa =,7º Figura. Envoltórias de resistência, 3 m de profundidade, amostra natural, erosão Ceilândia (Lima, 003). POÇO c = 8,7 kpa ' = 7,7º POÇO c = 3,5 kpa ' =,º Figura. Envoltórias de resistência, 3 m de profundidade, amostra inundada, erosão Ceilândia (Lima, 003). Nesses reservatórios o entorno antes não banhado por água, passa agora a conviver com a presença de lâmina d água com nível variável segundo as condições de abastecimento do reservatório e de utilização da água que eles acumulam. Com isso depara-se inicialmente com uma nova condição de umidade e saturação dos maciços de bordo, condição essa que pode apresentar significativas variações em função das características de mudança do nível d água no reservatório. A imposição dessa nova condição referente à presença do reservatório gera variações de sucção que afetam negativamente a estabilidade dos taludes dos maciços podendo dar origem a rupturas e desencadeamento de processos erosivos. Tem-se ainda, que mecanismos de degradação físico-química e estrutural do maciço em consequência de variações no nível d água no reservatório podem ocorrer como mostrado por Lima (003). Portanto, no caso de bordos de reservatório não só a análise do

8 potencial erosivo deve levar em conta os aspectos aqui levantados, como as erosões que surgem devem ser avaliadas levando-se em conta a continuidade da degradação em função das condições de fluxo impostas pelo próprio reservatório. Cabe ainda ressaltar que o reservatório pode propiciar o surgimento de morfologia e tipo de fluxo distinto daquele que ocorria antes do seu enchimento e que são complementarmente afetados por condicionantes geológicos e estruturais. Em muitos casos surge como alternativa de contenção dos processos erosivos a revegetação dos taludes. Nesse caso deve-se mais uma vez contextualizar os procedimentos levando-se em conta a sucção oriunda da morfologia do terreno e a capacidade de retenção de água das espécies vegetais utilizadas, pois se a primeira intervem na sobrevivência da espécie, a segunda, ao interferir na sucção por meio da maior ou menor retenção de água termina afetando a própria estabilidade do maciço. CONSIDERAÇÕES FINAIS O artigo mostra a importância de considerar a sucção quando se analisa os processos erosivos continentais como as ravinas e voçorocas, sendo possível estender essa experiência para a análise de erosões de bordos de reservatórios. Percebe-se da abordagem aqui apresentada que o estudo dos processos erosivos requer a avaliação da dinâmica dos processos no tempo e no espaço, pois os próprios contornos dos reservatórios apresentam uma dinâmica morfológica ao longo do ano. É evidente que no caso de erosões de bordo de reservatório outros fatores que influenciam a evolução das erosões continentais se fazem presentes muitas vezes até com maior ênfase, como é o caso das instabilizações de taludes geradas pelo solapamento de suas bases (Santos, 997). O que muda nesse caso é a causa do solapamento e não suas consequências. Nas ravinas e voçorocas ele se dá devido ao fluxo permanente (voçorocas) ou intermitentes (ravinas) ao longo da erosão enquanto nos reservatórios ele se deve ao efeito de ondas que ocorrem de modo natural ou devido a movimento de embarcações. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq, à CAPES e à Eletrobras Furnas pelo apoio que vem dando aos estudos sobre erosões. REFERÊNCIAS Carvalho, M.N (995). Seminário da Disciplina Geotecnia dos Solos Tropicais. Programa de Pós- Graduação em Geotecnia, Departamento de Engenharia Civil. Universidade de Brasília, p. Guimarães, R.C. (00). Análise das propriedades e comportamento de um perfil de solo laterítico aplicada ao estudo do desempenho de estacas escavadas. Dissertação de Mestrado, Publicação G.DM-09A/00, Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Brasília, 83p. Jesus, A. S. (03). Investigação multidisciplinar de processos erosivos lineares: estudo de caso da cidade de Anápolis GO. Tese de Doutorado, Publicação G.T.D. 087/03, Programa de Pós- Graduação em Geotecnia, Departamento de Engenharia Civil Universidade de Brasília, 33 p. Lima, M. C. (999). Contribuição estudo do processo evolutivo de boçorocas na área urbana de Manaus. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós- Graduação em Geotecnia, Departamento de Engenharia Civil,Universidade de Brasília, 50 p. Lima, M. C. (003). Degradação físico-química e mineralógica de maciços junto às voçorocas. Tese de Doutorado, Publicação G.T.D. 07A/003, Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, Departamento de Engenharia Civil,Universidade de Brasília, 33 p. Mascarenha, M.M.A. (003). Influência do Recarregamento e da Sucção na Capacidade de Carga de Estacas Escavadas em Solos Porosos Colapsíveis. Dissertação de Mestrado, Publicação n o G.DM-098A/03, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, p. Santos, R. M. M. (997). Caracterização Geotécnica e Análise do Processo Evolutivo das Erosões no Município de Goiânia. Dissertação de Mestrado, Publicação G.DM-0A/997, Programa de Pós- Graduação em Geotecnia, Departamento de Engenharia Civil,Universidade de Brasília, 0 p.