Diagnóstico Geológico-Geotécnico em Obras de Contenção de Taludes em Rocha

Diagnóstico Geológico-Geotécnico em Obras de Contenção de Taludes em Rocha Almeida, A. A. Universidade de Brasília, Brasília, Distrito Federal, Brasil, almeidaa23@yahoo.com.br Diniz, N. C. Universidade de Brasília, Brasília, Distrito Federal, Brasil, noris@unb.br Camapum, C, J. Universidade de Brasília, Brasília, Distrito Federal, camapum@unb.br Silva, M. C. Empresa Brasileira de Engenharia e Fundações, Brasília, Distrito Federal, Brasil, carlos@embre.com.br Ferreira, S. E. Empresa Soltec Engenharia Ltda, Brasília, Distrito Federal, edalmo@soltec.com.br Resumo: O presente estudo permitiu estudar a estabilidades de taludes em obras de construção civil em Brasília/DF com contribuição para adoção de parâmetros de segurança em obras de contenção em rocha. A finalidade da pesquisa é a análise do comportamento mecânico do maciço em taludes em rocha, incluindo a análise de estabilidade, levantamento geomecânico e ensaio de carga pontual. Na investigação de campo usaram a metodologia da ABGE/CBMR (1983) para obtenção dos parâmetros de orientação das descontinuidades, espaçamento, persistência, rugosidade, resistência das paredes, abertura, preenchimento, percolação e fluxo de água no maciço. Este levantamento permitiu subsidiar o dimensionamento da contenção dos taludes, buscando minimizar os possíveis riscos geológicos-geotécnicos. O comportamento da rocha é anisotrópico e a resistência das rochas está diretamente relacionada com o grau de alteração e com o desconfinamento durante a escavação. A ruptura predominante são tombamento e cunha mostrando-se condicionada pelas descontinuidades. Abstract: This study aims to examine the stability of slopes in construction works in Brasilia to help establishing safety parameters for retaining structures for rock masses. The purpose of the research is to analise the mechanical behavior of the rock mass, including stability analyses, geomechanical survey and point load testing. Field studies using the methodology proposed by ABGE / CBMR (1983) to obtain the parameters of the rock discontinuities, spacing, persistence, roughness, wall resistance, opening, filling, and percolation of water flow in the mass were carried out. This survey has subsidized the design of retaining structures, minimizing possible geological and geotechnical risks. The behavior of the rock is anisotropic and its strength is directly related to loss of confinement due to excavation. The predominant failure mechanisms are toppling and wedge failure, conditioned by the discontinuities. 1 ASPECTOS GERAIS São vários os aspectos que influenciam a estabilidade de taludes, e dentre eles pode-se citar o 1 comportamento mecânico do material e a estrutura geológica. No que tange a este último, é importante estudar as propriedades das descontinuidades uma vez que é nos planos de fraqueza das rochas que

preferencialmente ocorre a ruptura do maciço rochoso. Depois de estudadas as descontinuidades, o próximo passo é analisar a estabilidade do talude, fornecendo o melhor processo de escavação e o ângulo de inclinação do talude ideal para que se minimize o risco de ruptura. Com esse enfoque torna-se possível reduzir os custos da contenção do talude que se fizer necessária. Outra preocupação deve se situar no campo da garantia da estabilidade dos taludes já existentes com ou sem a implantação de contenção. Para isso estudos são feitos baseados na análise de cinemática, com o objetivo de identificar os possíveis modos de ruptura. De acordo com Cornet, (1993), as rochas e os maciços rochosos são descontínuos, anisotrópicos e heterogêneos para a aplicação direta dos conceitos da Mecânica do Contínuo. Contudo, na prática, a idealização da realidade pela definição de um modelo equivalente tem se mostrado adequado para o uso em projetos de engenharia em rocha. De forma geral, o estado de tensão pode ser considerado como um atributo básico pelo qual suas magnitudes e direções afetam toda a resistência, a permeabilidade, a deformabilidade e outras importantes características dos maciços rochosos (Goodman, 1989). Assim, durante o processo de escavação e ao término desta, por um lado, pode-se verificar um decréscimo de resistência em um maciço devido ao desconfinamento provocado pela variação do estado de tensões in situ, e por outro, verifica-se que essa mesma variação do estado de tensão pode condicionar a permeabilidade do meio, na medida em que descontinuidades orientadas segundo σ 1 e perpendiculares a σ 3 apresentam tendência a se abrir, tornando-se mais permeáveis e possibilitando a alteração no interior dos maciços. Cabe destacar, que dependendo do fluxo e das condições de drenagem, essa alteração da permeabilidade pode induzir a degradação acelerada dessas zonas de descontinuidade contribuindo para a instabilização do maciço. Há que se considerar ainda a rotação do estado de tensões quando da escavação, o que interfere diretamente na compressibilidade e, principalmente, na expansibilidade do maciço. A NBR-11682 (2006), enfatiza a necessidade de realização de perfis esquemáticos indicando as dimensões dos elementos instáveis, de eventuais intrusões (diques), orientação dos planos de fratura da rocha e das xistosidades, condições de apoio (declividade, rugosidade e tipo de material), de forma a permitir a elaboração do modelo geomecânico. 1.1 Metodologia Os métodos adotados foram utilizados com a finalidade de definir parâmetros geomecânicos. No roteiro de campo utilizado conforme a ABGE/CBMR (1983) aplicado às rochas intactas e alteradas se tem as seguintes definições: - O espaçamento é a distância perpendicular entre descontinuidades adjacentes. Refere-se normalmente ao espaçamento médio ou modal de uma família de descontinuidades. O espaçamento das descontinuidades condiciona o tamanho dos blocos individuais de rocha intacta. Um pequeno espaçamento, fraturamento intenso, confere ao maciço um comportamento mais próximo do comportamento dos materiais granulares, modificando o modo de ruptura de translacional para circular. - Persistência delimita a extensão do traço de uma descontinuidade conforme observado em um afloramento. Pode ser uma medida aproximada de sua extensão em área ou comprimento de penetração da descontinuidade. Se a descontinuidade acaba em rocha sã ou em outra descontinuidade a persistência diminui. O grau de persistência das descontinuidades do maciço adjacente à estrutura determinará em última análise a probabilidade de envolvimento do maciço de rocha sã numa eventual ruptura. Na determinação da persistência é utilizada uma trena de pelo menos 10 m, devendo-se medir, quando possível, os comprimentos das descontinuidades no sentido do mergulho e da direção, o que pode ser muito difícil no caso de pequenos afloramentos. - Rugosidade é considerada como a combinação da aspereza (também chamada de ondulação de segunda ordem) e ondulação (primeira ordem) da superfície, relativas ao plano médio de uma descontinuidade. A aspereza e a ondulação contribuem para a resistência ao cisalhamento. A ondulação em grande escala pode também modificar o mergulho local. A rugosidade das paredes de uma descontinuidade é uma característica potencialmente importante na sua resistência ao cisalhamento, especialmente nos casos de descontinuidades não preenchidas. A importância da rugosidade diminui à medida que a abertura, ou o material de preenchimento, aumenta. - Resistência das paredes é a resistência à compressão uniaxial das paredes adjacentes de uma descontinuidade, a qual deve ser menor que a da rocha intacta devido ao intemperismo ou alteração das paredes. O intemperismo afeta as paredes das descontinuidades mais do que o interior do maciço, de modo que a resistência da superfície de uma descontinuidade é sempre menor do que a obtida em 2

testemunhos de sondagem. Uma descrição do estado de intemperização ou alteração, tanto do interior do maciço como das paredes da descontinuidade é relevante para o material rochoso. - Abertura é a distância que separa as paredes de rocha de uma descontinuidade, onde o espaço pode ser preenchido por ar, água, mineral secundário ou fluido cristalizado. - Fluxo no maciço é o fluxo de água provocado pela umidade livre, visíveis em descontinuidades individuais ou no maciço rochoso como um todo. O método alternativo de aferir a resistência à compressão simples das rochas consistiu na determinação do índice de resistência ou índice de carga pontual por meio do ensaio de carga pontual também conhecido por ensaio Franklin. O equipamento utilizado no ensaio foi o Slope Indicator s Point Load Tester, Modelo 51653000 do Laboratório de Geotecnia da Universidade de Brasília. Com objetivo de obter os parâmetros de resistência em laboratório realizou-se ensaios de Cisalhamento Direto sobre amostras indeformadas. Na análise cinemática e de ruptura dos taludes de maciço rochoso se usou os programas DIP/Rocsciense e SWEDGE/Rocsciense. 1.1.1 Descrição do Maciço O maciço rochoso encontrado nos taludes é composto por siltito de coloração cinza-escura e quando alterada, a rocha apresenta coloração cinzaavermelhado devido à oxidação do ferro. A rocha se encontra em zona de cisalhamento rúptil com comportamento anisotrópico. Os locais das obras avaliadas foram no Plano Piloto/Brasília e Águas Claras/Brasília. No total de três obras as quais se dividiu em obra 1, obra do plano piloto, obra 2 e obra 3, obras de Águas Claras. 1.2 Caracterização dos maciços O maciço da obra 1 foi caracterizado por técnica distinta das adotadas para os maciços das obras 2 e 3. No primeiro caso os parâmetros geomecânicos foram estimados com base no levantamento de campo e no segundo a partir de ensaios de laboratório. O levantamento geomecânico identifica uma resistência no maciço de 1,0 a 5,0 MPa. Os valores de resistência foram estimados a partir do uso da Tabela 1. Na Tabela 2 estão os parâmetros de resistência obtidos a partir dos ensaios de cisalhamento direto. As tensões normais utilizadas foram 50, 100, 200, 300 e 400 kpa. A Tabela 3 mostra o índice de resistência à compressão puntiforme que é padronizado para um diâmetro de 50 mm (IS 50 ). Para a obtenção deste valor é necessário calcular o valor do índice de resistência à compressão puntiforme (IS) e multiplicar por um fator de correção (FC), que é função da relação entre o diâmetro da amostra e o diâmetro padronizado (50 mm). Tabela 1: Ensaios manuais para estimar a resistência de materiais rochosos (modificado ABGE/CBRM, 1983). Grau Descrição Identificação de Campo Valor Aproximado de σ c (MPa) R0 Rocha extremamente Fraca Marcada com a unha 0,25-1,0 R1 Rocha muito fraca Esmigalhada com golpes firmes com a ponta do 1,0-5,0 martelo geológico e pode ser raspada com canivete R2 Rocha fraca Pode ser raspada com dificuldade com canivetes, 5,0-25 marcas podem ser feitas com a ponta do martelo de geológo R3 Rocha medianamente resistente Não pode ser raspada ou riscada com canivete, mas as 25-50 amostras podem ser fraturadas com golpes de martelo de geológo R4 Rocha resistente As amostras necessitam de mais que um golpe com martelo 50-100 de geológo para fraturar-se R5 Rocha muito resistente As amostras necessitam de muitos golpes com martelo geológico 100-250 para fraturar-se R6 Rocha extremamente resistente As amostras podem somente ser lascadas com martelo de < 250 geológo Tabela 2: Parâmetros de resistência dos taludes das obras 2 e 3. Parâmetros de Resistência Obra 2 Obra 3 Coesão 24 kpa 26 kpa Ângulo de Atrito 43 44 3

Tabela 3: Dados do ensaio de carga puntiforme nos taludes das obras 2 e 3 localizadas em Águas Claras-DF. Obra 2/Taludes P (kpa) D (mm) Is ou Is50 C σc (kpa) Ensaio 1 20 95 11 25 275 axial 2 25 92 4 25 100 axial 3 44 95 7 25 175 axial 4 22 100 3 25 75 axial 5 27 98 4 25 100 axial 6 22 50 9 23 202 diametral 7 20 50 8 23 184 diametral 8 25 50 10 23 230 diametral 9 16 50 6 23 147 diametral 10 23 50 9 23 212 diametral Obra 3/Taludes P (kpa) D (mm) Is ou Is50 C σc (kpa) Ensaio 1 22 50 9 23 202 diametral 2 93 75 19 25 475 irregular 3 222 50 88 23 2024 diametral 4 26 50 10 23 230 irregular 5 26 40 14 21 294 irregular 6 17 60 5 25 118 irregular 7 24 55 8 24 192 diametral 8 40 65 10 25 250 irregular 9 15 60 4 25 100 irregular 10 22 70 5 25 113 irregular 2. ANÁLISE DOS RESULTADOS No talude 1 da obra 1 identificou-se a presença de veios de quartzo preenchendo as descontinuidades (Figura 1). A alteração dos veios é crescente da rocha para o saprólito, favorecendo a percolação de água entre as faces dos planos de clivagens e as descontinuidades. A Figura 2 mostra esquematicamente o perfil do talude. Figura 1: Veio de quartzo no talude 1 da obra 1. 4

Figura 2: Perfil do talude 1 da obra 1. A Figura 3 apresenta as descontinuidades aleatórias no talude da obra 1. Nelas, as aberturas são extremamente largas, preenchidas por fragmentos de quartzo sem nenhuma cimentação, conferindo um alto grau de permeabilidade nas paredes cisalhadas. Entre as paredes cisalhadas da rocha ocorre umedecimento, comprovando a presença de fluxo no maciço de acordo com a sazonalidade da região. O preenchimento nesta rocha colabora com a percolação da água nas aberturas das descontinuidades. Figura 3: Preenchimento com agregado de quartzo e presença de umidade na rocha do talude da obra 1. 5

No ensaio de carga pontual podem ser ensaiados corpos de prova cilíndricos comprimidos diametralmente ou axialmente, e ainda corpos de prova com outras formas, regulares ou irregulares, desde que obedeçam aos critérios indicados na Figura 4. Para estes casos será necessário definir um diâmetro equivalente De correspondente a uma secção circular com área igual à da secção transversal do corpo de prova ensaiado, sendo o índice de carga pontual normalizado calculado a partir desse valor. Os valores de C utilizados nas amostras foram de 20 a 25 de acordo com os diâmetros das amostras indicados na Tabela 2 dos ensaios de carga puntiforme. Os valores de tensão de ruptura do ensaio de carga puntiforme se correlacionam com os valores de tensão residual adquirida a partir do ensaio de cisalhamento direto. Os dados do ensaio de carga puntiforme se mostraram eficientes para definir a tensão de ruptura nos taludes avaliados. Figura 4: Ensaios de carga puntiforme realizados em amostras irregulares e cilíndricas nos sentidos diametral e axial usados em amostras oriundas dos taludes das obras 2 e 3 de Águas Claras-DF. A análise cinemática consistiu na avaliação das características estruturais do maciço rochoso e suas possíveis inter-relações que poderão alterar o estado de inércia da rocha. Com os dados de direção e mergulho das descontinuidades foi possível analisar o modo de ruptura dos taludes. A análise da cinemática foi realizada pelo Dip/Rocsciense através da plotagem da orientação dos taludes. Para a análise do plano de ruptura nos taludes utilizou-se o Swedge/Rocsciense com a entrada dos dados da direção e mergulho das descontinuidades, ângulo de atrito (φ ) e coesão (c) onde a análise é feita pelo critério de ruptura de Mohr Coulomb. No entanto, as análises de 6 estabilidade estereográficas e os parâmetros mecânicos das rochas levam a indicar a ruptura em cunha ou por tombamento em todas as obras analisadas. A Figura 4 apresenta a projeção estereográfica que mostra para a obra 1, zonas de rupturas de tombamento e cunha predominantemente na direção SW. Segundo as projeções estereográficas das Figuras 5 e 6 obtidas, respectivamente, para as obras 2 e 3, nota-se também que as rupturas de cunha e tombamento estão configuradas em SW. As Figuras 7 e 8 ilustram, respectivamente as rupturas por tombamento e em cunha para os taludes analisados.

Figura 4: Projeção estereográfica dos taludes em Brasília na obra 1. Figura 5: Projeção estereográfica dos taludes em Águas Claras - DF na obra 2. Figura 6: Projeção estereográfica dos taludes em Águas Claras - DF na obra 3. 7

Figura 7: Ruptura de tombamento formada na análise de estabilidade no SWEDGE/Rocsciense. Figura 8: Ruptura em cunha formada na análise de estabilidade no SWEDGE/Rocsciense. 3. CONCLUSÕES E PROPOSTAS O presente estudo empregado no artigo analisa o modo de rupturas dos taludes a partir da orientação das descontinuidades, sendo estas de suma importância na determinação do comportamento mecânico do maciço. O levantamento de campo constitui-se em ferramenta complementar que ao permitir levantar as feições geomecânicas, colaboraram para a definição adequada da contenção para estes taludes. A análise da cinemática das descontinuidades é muito útil, pois pode verificar a formação dos blocos ou cunhas e juntamente com a análise de equilíbrio limite permite definir para a obra um fator de segurança confiável. As rochas alteradas nos taludes em presença de água propiciam a geração de colapso estrutural do maciço. Todas as rochas apresentaram comportamento anisotrópico. Em termos de tensão-deformação as rochas apresentaram-se estáveis quando intactas e instáveis quando alteradas pela ação intempérica. As soluções de engenharia para estes taludes são as seguintes: dispositivos de drenagem, piezômetros, ancoragem e chumbadores, proteção superficial com concreto projetado, telas metálicas e concretagem nas camadas com saprólito, criação de barreiras impermeáveis nas arestas dos taludes, inclinômetros para monitorar os deslocamentos. Nos Distrito Federal, as particularidades da geologia estrutural impõem que para cada obra, seja em solo residual jovem, seja em rocha, sejam feitos os diagnósticos e investigações in situ para 8

a definição das medidas preventivas que assegurem a estabilidade dos taludes. 4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABGE. 1983. Congresso Brasileiro de Mecânica das Rochas. ABGE, São Paulo, SP, (último congresso: 10 CBGE, Ouro Preto, MG). Azevedo, I. C., & Marques, E. A. (2002). Introdução à mecânica das rochas, Ed. UFV, Viçosa/MG, Brasil, 362p. Cornet, F.H. (1993). Stesses in rock and rock masses. In: Hudson, A.J. (Ed.) Comprehensive Rock Engineering, Oxford: Pergamon.Vol.3, 297-327. Goodman, R.E. (1989). Introduction to rock mechanics. 2nd. Ed. New York: John Wiley. p.101-138. Low, B. K. (1997). Reliability Analysis of Rock Wedges, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol.123, N6, 498-500 NBR-11682/2006. Estabilidade de Encostas. Associação Brasileira de Normas Técnicas. Rio de Janeiro. Silva, D. A. P. (2000). Estudos Geotécnicos na Recuperação Ambiental da Pedreira Municipal de Pirenópolis. Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Civil e Ambienta, Ed.UNB, Brasília/DF, Brasil, 5-36. 9