Medição da sucção com uso de tensímetro em um talude não saturado

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1 Medição da sucção com uso de tensímetro em um talude não saturado Franch, F.A.J. Franch Engenharia e Consultoria de Fundações, São Paulo, SP, Brasil, fpfranch@aol.com Futai, M.M. Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil, futai@usp.br Marinho, F.A.M. Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil, fmarinho@usp.br Resumo: Taludes formados por solos na condição não saturada são muito comuns no Brasil. Nestes casos a sucção matricial contribui muito para a estabilidade dos taludes. Em muitos casos a redução da sucção pode ser uma das causas de escorregamentos. Tendo em vista a ocupação desordenada de áreas na cidade de São Paulo, a ruptura de um talude, em geral, causa danos materiais e de vidas o que exige medidas preventivas ao problema. Este trabalho é parte de um estudo que pretende avaliar o efeito do tipo de revestimento superficial na alteração do perfil de sucção e conseqüentemente na estabilidade do talude. São apresentados aqui os resultados de monitorização, usando tensiômetros, medidores de nível d água e pluviômetro, em um talude natural em solo não saturado. Os tensiômetros utilizados são denominados comercialmente de tensímetro digital de punção e tensímetros analógico de punção cuja característica distinta é o fato de usar um único transdutor de pressão ou um vacuômetro analógico para todos os tubos tensiométricos. O tensímetro possui uma agulha que possibilita a conexão a cada tubo tensiométrico. Serão apresentados detalhes do instrumento e aspectos relacionados com seu uso e funcionamento. A instrumentação do talude é composta por 25 tubos tensiométricos instalados ao longo do talude e em diferentes profundidades. O objetivo deste trabalho é apresentar as características de funcionamento e uso do tensímetro em taludes naturais submetidos às condições climáticas locais. Abstract: Slopes formed by unsaturated soil are very common in Brazil and matric suction define the slope stability behavior. Suction reduction is often one of the causes of slope failures. In view of the disordered occupation of areas in the city of São Paulo, Brazil, slope ruptures usually cause property damages and the loss of lives, requiring preventive measures to avoid the problem. This work is part of a study that aims at evaluating the effects of the types of superficial coating on soil, changes in the suction profile and, consequently, on slope stability. This study includes the results of natural slope monitoring using tensiometers, water level and flow measurement devices IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA 263

2 and pluviometers on an unsaturated soil slope. The tensiometers employed for the study are commercially called digital punch tensimeter and analogic punch tensimeter, the singular characteristic of which is the fact that it uses only one pressure transductor or analogic vacuometer for all tensiometric tubes. It has a needle enabling a connection to each tensiometric tube. We will present the instrument in detail and also aspects related to its use and operation. The slope instrumentation is comprised of 25 tensiometric tubes placed along the slope in different depths. The objective of this work is to present the characteristics of use and operation of said instrument on natural slopes under the local climatic conditions. 1. INTRODUÇÃO A ocupação desordenada de áreas públicas nas grandes cidades, principalmente em forma de favelas, leva à ocorrência de situações de risco associado a escorregamentos. A ruptura de um talude, em geral, causa danos materiais e de vidas o que exige medidas preventivas. Através do levantamento de dados realizado em um site de reportagens (O Estado de São Paulo) do período de janeiro a abril de 2005 em todo o Brasil, verificou-se que ocorreram 125 escorregamentos ocorridos em bairros populares e rodovias que causaram 32 vítimas fatais, 22 vítimas em estado grave, 40 residências destruídas, 500 pessoas desabrigadas, 3 rodovias interditadas temporariamente e 2 rodovias parcialmente interditadas. Verifica-se que são grandes os desafios para os engenheiros geotécnicos no que concerne a estabilidades de taludes e a redução de riscos geológicogeotécnicos. Este trabalho é parte de um estudo que pretende avaliar o efeito do tipo de revestimento superficial na alteração do perfil de sucção e conseqüentemente na estabilidade de talude em área de risco geológico-geotécnico. Sua base conceitual são estudos científicos desenvolvidos nos últimos 30 anos que estabeleceram uma relação entre a infiltração de águas de chuva e a deflagração de escorregamentos por meio da eliminação da sucção matricial. Alguns exemplos desse tipo de estudo foram realizados por: Wolle & Hachich (1988), Calle & Vilar (2000), Santos e Vilar (2004) e Zhang et al (2004). O experimento teve início em janeiro de 2005, em que se mediu a variação da sucção para dois tipos de revestimentos superficiais, vegetação natural e argamassa, além do nível freático e a pluviometria. 2. LOCALIZAÇÃO E ASPECTOS GEOLÓGI- CO-GEOTÉCNICOS O experimento foi desenvolvido em área de risco geológico-geotécnico pertencente à Prefeitura Municipal de São Paulo. A área se situa em favela do Núcleo F da Gleba São Francisco, zona leste da capital paulista, local em que a Franch Engenharia elaborou Mapeamento de Riscos Geológico-geotécnicos e Projeto de Consolidação Geotécnica. A área de risco onde foi desenvolvido o experimento apresentou dois escorregamentos, o primeiro há cerca de sete anos destruiu uma residência e o segundo ocorrido em 2004 inva- 264 IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

3 diu uma rua. A área de risco apresenta um talude com cerca de 150m de comprimento e altura variável de 3m a 17m. A inclinação do talude varia de 30º a sub-vertical. O trecho do talude monitorizado tem cerca de 15m de altura e inclinação de 30º. A seção geotécnica do experimento está apresentada na Figura 1. A camada superior é de aterro de argila areno-siltosa marrom avermelhada com cerca de 4m de espessura. Sob o aterro há solo residual siltoso areno-argiloso micáceo, marrom avermelhado. O nível d água localizava-se a 2,9m de profundidade em relação ao pé do talude, no início de janeiro. O aterro existente no local tem origem em sedimentos fluviais da Formação São Paulo, do período Cenozóico (Terciário). O solo residual tem origem em quartzo-mica xistos do Complexo Pilar, de origem pré-cambriana, de acordo com o Mapa Geológico do Estado de São Paulo elaborado pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - IPT. A unidade geomorfológica em que está localizado o talude é de Colinas Pequenas com Espigões Locais, de acordo com o Mapa Geomorfológico do Estado de São Paulo, também elaborado pelo IPT. Figura 1: Seção Geotécnica do Experimento 3. CARACTERIZAÇÃO Foram coletadas amostras de solo de três furos de sondagem a trado ST-1, ST-2 e ST-3 executados no talude, cujas posições podem ser vistas na Figura 1. As amostras foram coletadas de metro em metro aproximadamente para realização de ensaios de granulometria. Os perfis de composição granulométrica estão apresentados na Figura 2. Os resultados e as avaliações tátil visual indicaram um contato bem definido entre o aterro argiloso e o solo residual siltoso. No furo ST-1, localizado na crista do talude, o contato se dá à cerca de 4m de profundidade com uma camada de argila com matéria orgânica entre os dois horizontes. No furo ST-2, que está localizado a 2,5m abaixo da crista, o contato também ocorre a 4m de profundidade e no furo ST-3, localizado na metade do talude, o contato localiza-se a 3m de profundidade. 4. PROGRAMA EXPERIMENTAL A Figura 3 mostra a foto da área experimental, na qual foram instalados, um pluviômetro, um medidor de nível d água e 25 tubos tensiométricos. Os tubos foram instalados em duas linhas perpendiculares às curvas de nível. A região do talude em que foi instalada a primeira linha com 12 tubos foi mantida com a vegetação natural (capim), que está indicado na Figura 1 com o símbolo T. A região do talude na qual foram instalados os demais tubos foi impermeabilizada com argamassa. A largura da faixa impermeabilizada é de 10m, o comprimento do trecho impermeabilizado na crista é de 10m e no pé do talude de 2m. Os tubos foram instalados simetricamente nas linhas 1 e 2, para poder se comparar as leituras de sucção de um determinado ponto do talude, com e sem a impermeabilização. Neste trabalho será dado destaque ao talude sem impermeabilização, pois os dados disponíveis ainda não permitem concluir a influência da impermeabilização. IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA 265

4 Figura 2 Perfil de composição granulométrica Figura 3: Talude experimental 4.1 Equipamentos utilizados Os tensiômetros utilizados são denominados tensímetro digital de punção e tensímetro analógico de punção, suas fotos podem ser vistas na Figura 4. A característica mais importante é que o vacuômetro não fica fixado permanentemente ao tubo tensiométrico e por isso pode-se utilizar um único instrumento para ler os tubos tensiométricos. Além da economia também há redução de erros causados pela dispersão dos manômetros ou transdutores, assim como reduz problemas com vandalismo. Apesar de ser um instrumento simples não há registros da aplicação desse instrumento na engenharia geotécnica, embora seja comum na aplicação agrícola. Os tubos tensiométricos utilizados têm comprimentos de 0,5m, 1,5m e 3,0m e seu diâmetro é de 20 mm. O tubo tensiométrico é composto por uma pedra porosa na extremidade inferior, tubo de PVC na maior parte de seu comprimento, tubo transparente de acrílico com 15mm de diâmetro nos 10cm finais, e tampa de silicone no topo. A tampa de silicone e o trecho em acrílico são recobertos com tubo e CAPs de PVC 266 IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

5 com 20mm de diâmetro, para proteção no campo. O tensímetro digital é composto por uma agulha hipodérmica acoplada a um transdutor digital, e o tensímetro analógico compõe-se de um vacuômetro analógico conectado a uma agulha hipodérmica. As leituras são realizadas através do puncionamento da tampa de silicone pela agulha hipodérmica do tensímetro. Há uma perfeita vedação entre a tampa e tubo, e entre a tampa e a agulha, não havendo perda de pressão. Dentro do tubo a pressão da água está negativa, em equilíbrio com a sucção do solo, portanto, ao introduzir a agulha o ar também estará submetido a essa mesma pressão e será registrada pelo vacuômetro. 4.2 Procedimentos de campo A saturação das pedras porosas e o preenchimento dos tubos tensiométricos instalados foi feito no laboratório de solos da EPUSP, por meio de aplicação de vácuo na parte superior do tubo com a pedra porosa imersa em balde d água. O nível d água subiu dentro do tubo até o completo preenchimento. A instalação foi feita seguindo-se as seguintes etapas: escavou-se o furo com trado helicoidal de 25mm de diâmetro, com o mesmo comprimento do tubo tensiométrico. Preparou-se antecipadamente uma pasta com o solo retirado da superfície do talude umedecendo-o até atingir umidade maior que o limite de liquidez. Introduziu-se a lama dentro do furo e após o seu preenchimento o tubo tensiométrico foi inserido. Colocou-se solo junto ao tubo instalado elevando o nível do terreno em alguns centímetros a fim de evitar o acúmulo de água de chuva no local. A manutenção dos tubos tensiométricos é feita retirando-se a tampa de silicone e preenchendo-se o tubo com água uma a duas vezes por semana. Figura 4: Tensímetros (a) analógico e (b) digital O medidor de nível d água foi construído no pé do talude com 6" de diâmetro e 4m de comprimento. O pluviômetro foi instalado junto à área experimental. As leituras dos instrumentos foram feitas diariamente durante o período de 7 de janeiro a 30 de abril de No período de 2 de março a 8 de abril as leituras de sucção foram feitas com tensímetro analógico. As demais leituras foram feitas com tensímetro digital. As leituras no tensímetro crescem a partir do pucionamento até se estabililizar num valor constante. O tem- IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA 267

6 po de estabilização se deve à câmara interna do tensímetro que não está sob vácuo antes da punção no tubo, que entra em equilibrio com o vácuo dentro do tubo por meio da interação da pedra porosa com o solo. A velocidade de inserção do tensímetro também afeta o tempo de estabilização. A inserção da agulha causa um aumento de pressão que deve ser dissipada. Outro aspecto importante deste instrumento é que não há perda de pressão nos contatos entre a agulha, a tampa de silicone e a parede do tubo, conforme testes realizados em laboratório. 5. TEMPO DE ESTABILIZAÇÃO DAS LEITU- RAS NO TENSÍMETRO Os tempos de estabilização das leituras variaram de 25 minutos a 2 horas de um tubo tensiométrico para outro. Foi realizado um estudo sobre o tempo de estabilização dos tensiômetros. Os resultados das leituras com o tempo estão apresentados na Figura 5, considerando a localização dos tensiômetros no talude e sua profundidade. Verificou-se que há uma tendência do tempo de estabilização aumentar com o valor da sucção. Essa tendência fica mais clara ao se contrapor o tempo de estabilização com o valor da sucção, como foi feito na Figura 6. Constatou-se que após 5 minutos as leituras médias correspondem a 82% das leituras finais de estabilização, após 15 minutos a 92% e após 25 minutos a 95%. Portanto, adotou-se 25 minutos como tempo de leitura para o experimento, além deste tempo há um aumento residual de sucção que pode ser desprezado. Por outro lado não se verificou correlação entre o tempo de estabilização e o comprimento do tubo tensiométrico. Devido ao tempo de resposta do equipamento utilizado chegar a 25 minutos, realizouse uma pesquisa de vacuômetros existente no mercdo e construiu-se um outro tensímetro, cujo tempo de resposta baixou para 5minutos. Os dados deste novo instrumento não foram incluídos nesse trabalho. Figura 5: Estabilização das leituras dos tensiômetros 268 IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

7 Figura 6: Relação entre a sucção e o tempo de estabilização 6. CORRELAÇÃO ENTRE NÍVEL D ÁGUA E PRECIPITAÇÃO DIÁRIA As oscilações verificadas no nível d água acompanharam bem as precipitações, conforme indica a Figura 7. O NA subiu durante períodos de chuva e caiu quando as precipitações cessaram. Os três principais eventos de chuva do período de estudo indicaram as seguintes precipitações e variações de NA: a precipitação do dia 12 de janeiro de 75mm resultou em aumento de 11cm no nível d água passando da cota 817,51m para 817,62; as chuvas que ocorreram entre os dias 17 de janeiro e 26 de janeiro somaram 98mm e resultaram em um aumento do nível d água de 15cm, passando da cota 817,60m para 817,75m; e as precipitações dos dias 15 de março a 25 de março de 142mm elevaram o nível em 11cm, passando da cota 817,54m para 817,65m. A relação entre variação do nível d água e a precipitação acumulada para os três eventos acima foram 1,5; 1,5 e 0,8; respectivamente. As relações maiores que 1 encontradas indicam que o NA teve variação maior que a altura de chuva do período. Verificou-se também que a elevação do nível d água ocorreu no mesmo dia ou no dia seguinte ao dia de precipitação intensa. Como, por exemplo, o dia 12 de janeiro quando choveu 75mm e no dia seguinte o nível subiu 11cm; e no dia 12 de fevereiro choveu 42mm e no mesmo dia o NA subiu 13cm. Essa diferença pode ser explicada pelo tempo decorrido entre o horário em que ocorreu a chuva e o horário da leitura, sempre feito às 7h da manhã. Figura 7 Relação entre o nível d água e a precipitação IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA 269

8 Durante o período de monitoração o nível d água variou apenas 30cm. Partiu da cota 817,45m no dia 7 de janeiro e atingiu a cota máxima 817,75m, no dia 26 de janeiro. A distância do NA até o pé do talude variou de 2,9m a 2,6m, uma variação de cerca de 10%. 7. VARIAÇÃO DA SUCÇÃO AO LONGO DO TEMPO A sucção foi monitorada entre os meses de janeiro e abril de 2005 e sua variação ao longo do tempo está apresentada na Figura 8. Percebese que há uma relação direta entre a pluviometria e a variação da sucção. Por exemplo, no dia 12/ 02/2005 ocorreu 42mm de precipitação. A maioria dos tensiômetros instalados a 0,5m registrou queda de sucção, porém, o mesmo não ocorre com os instrumentos instalados em profundidades maiores. Porque foi um evento de chuva isolado que não gerou uma frente de saturação que atingisse profundidades maiores. A crista do talude e a porção da encosta mais alta apresentaram os menores valores de sucção, em alguns casos o solo apresentou pressão positiva. Entre os dias 14/02 e 08/03 ocorreram apenas chuvas de pequena intensidade (menores que 10mm) e nessas condições as sucções aumentaram em praticamente todos os instrumentos. O período compreendido entre 11/03 e 05/ 04 foi bastante chuvoso, acumulando 200mm. Verificou-se uma queda geral nos tensiômetros, sendo o terço médio da encosta aquela que sofreu maiores reduções. A sucção a 0,5m de profundidade aumentou mais e mais rápido em todo o talude do que nas profundidades maiores ou iguais a 1,5m, durante os períodos secos. O fato se deve ao efeito da evaporação que se faz presente nas camadas superficiais do solo local. Para visualizar melhor a distribuição da sucção ao longo da profundidade foram traçados, na Figura 9, os perfis de sucção nas diferentes posições para algumas datas selecionadas. O perfil de sucção referente a 01/02 foi verificado após um longo período de chuva e nessa época a parte superior da encosta estava saturada e as sucções ao longo de todo talude estavam baixas. Os perfis referentes a 02/03 e 14/03 registram o aumento da sucção ao longo de um período de seca. A tendência foi da sucção aumentar na parte mais superficial. O dia 24/03 representava em um período bastante chuvoso, como pode ser visto na Figura 7. Houve uma queda da sucção ao longo de toda encosta com níveis próximos do dia 01/02. Porém, mesmo com a ausência de chuvas em 20/04 a sucção não se elevou aos mesmos níveis do período de seca anterior. Como mostrado por Cardoso Jr. e Futai (2005) o fluxo transiente ocorre mesmo após cessado a chuva. Portanto, é possível que em profundidades maiores a redução da sucção ocorra após algum tempo decorrido a chuva. Para investigar isso foram feitas correlações entre a sucção e precipitações acumuladas com diferentes tempos. O melhor resultado foi obtido utilizando precipitações acumuladas de 5 dias, como está mostrado na Figura 10. Esse resultado preliminar indica que as sucções somente voltam a subir quando a precipitação acumulada de 5 dias for inferior a 20mm. 8. DISTRIBUIÇÃO DA SUCÇÃO AO LONGO DO TALUDE Para se ter uma visão mais ampla da distribuição da sucção ao longo do talude realizou-se uma interpolação dos isovalores de sucção para duas situações distintas, como pode ser visto na Figura 11. Foram traçadas as curvas de igual sucção ao longo do talude para duas datas: a primeira precedida por chuvas intensas e a segunda precedida por período sem chuvas ou chuvas fracas. 270 IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

9 Figura 8 Variação da sucção e da pluviometria ao longo do tempo IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA 271

10 Figura 9 Perfis de sucção nas várias posições do talude Comparando-se os valores de sucção na crista do talude, local em que ocorre aterro argiloso, com aqueles na região entre o meio e o pé do talude, local em que ocorre solo residual siltoso, pode-se verificar que na crista as sucções são menores que nos demais trechos. No dia 01/02 em que o acumulado de chuva dos 25 dias anteriores foi de 196mm, os valores de sucção na crista variavam de 1,3 a -2,4kPa conforme a profundidade. Enquanto entre o meio e o pé do talude os valores de sucção estavam entre 15,5 e 30,0kPa, conforme a profundidade. A mesma comparação para o dia 12/03 (37mm acumulados nos 25 anteriores) nos fornece valores entre 18,6 e 4,7kPa para a crista do talude e entre 26,8 e 54,1kPa entre o meio e o pé do talude. 272 IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

11 Figura 10 Correlação entre a sucção e a precipitação acumulada de 5 dias com o tempo IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA 273

12 profundidades maiores ou iguais a 1,5m durante os períodos secos. O fato se deve ao efeito da evaporação que se faz presente nas camadas superficiais do solo local. O aterro argiloso apresentou sucções muito inferiores àquelas verificadas no solo residual siltoso durante o período do experimento. 10. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq pelo apoio financeiro. 11. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Figura 11: Distribuição da Sucção no Talude 9. CONCLUSÕES A monitoração realizada com tensímetros mostrou-se satisfatória, o que permite propor a utilização desse instrumento na prática da engenharia geotécnica para medição da sucção. O instrumento é simples e permite a monitoração de vários tubos tensiométricos com um único instrumento. A relação obtida entre variação do nível d água e precipitação acumulada variou entre 1,5 e 0,8. Indicando haver uma proporcionalidade entre as variáveis que poderá ser melhor estudada. À distância do NA até o pé do talude variou de 2,9m a 2,6m, uma variação de cerca de 10%. Os resultados indicaram que a sucção somente volta a subir quando a precipitação acumulada de 5 dias for inferior a 20mm. O que pode ser explicado pelo fluxo transiente ocorrer mesmo após cessado a chuva. A sucção a 0,5m de profundidade aumentou mais e mais rápido em todo o talude do que nas Calle, J.A.C. e Vilar, O.M. (2000) Análise de ruptura de talude em solo não saturado. Tese de mestrado apresentada à Universidade de São Paulo. Cardoso Jr, C.R. e Futai, M.M. (2005) Simulação do efeito de um fluxo transiente na estabilidade dos taludes. IV COBRAE, Salvador. Santos, C.R., e Vilar, O.M. (2004) Análise paramétrica da infiltração e sua influência na estabilidade de taludes em solo não saturado. Tese de mestrado apresentada à Universidade de São Paulo. Wolle, C.M. e Hachich, W.C. (1988) Análise dos escorregamentos translacionais numa região da Serra do Mar no contexto de uma classificação de mecanismos de instabilização de encostas. Tese de doutorado apresentada à Universidade de São Paulo. O Estado de São Paulo. Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo IPT. Mapa Geológico do Estado de São Paulo. Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo IPT. Mapa Geomorfológico do Estado de São Paulo. Zang, L.L., Fredlund, D.G., Zang,L.M. and Tang,W.H. (2004). Numerical study under which matric suction can be maintained. Can. Geotch. J., vol. 41, IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA