Universidade de São Paulo

Escola Politécnica

PEF 2406 – Fundamentos de Mecânica dos Solos

Análise de Estabilidade de Taludes

Professor Fernando A. M. Marinho

Aimee Biondo Verdini

Bernardo Strozzi Moreira

Fernando Pegoretti

Renata Kuraoka Martins

São Paulo

2014

1. Introdução

Sob o nome genérico de taludes compreende-se quaisquer superficies inclinadas que limitam um macico de terra, de rocha ou de terra e rocha. Podem ser naturais, casos das encostas, ou artificiais, como os taludes de cortes e aterros.

O objeto desse estudo serão os taludes de cortes, sujeitos à escorregamentos, definidos como o deslocamento rápido de uma massa de solo ou de rocha que, rompendo-se do macico, desliza para baixo e para o lado, ao longo de uma superficie de deslizamento.

A execucão de cortes em uma encosta provoca alteracões no estado de tensões atuantes no macico, que tende a instabilizar a região montante do talude. As tensões de tracão que venham a ocorrer poderão provocar o aparecimento de trincas, às quais podem ser preenchidos por água, fato esses associados a inúmeros casos de escorregamento.

Com a elevacão do lencol freático, objeto da segunda parte deste estudo, a intercepcão do corte com o lencol de água leva à instabilizacão do material, quer por aumento das pressões neutras, quer pelo efeito da água como redutor da resistência dos materiais envolvidos, ou ainda pela atuacão da água nos processos erosivos.

Figura 1: Ruptura do talude por escorregamento

2

2. Objetivo

Engenharia é a prática da aplicacão segura e econômica das leis cientificas que governam as forcas e materiais da Natureza, através da organizacão, design e construcão, para o beneficio da humanidade. O estudo realizado teve como intuito fornecer informacões sobre taludes que sofrerão com imposicões naturais. Para a primeira parte do trabalho, com auxilio do programa Slope/W, desconsiderando-se a existência de um nivel de água, o objetivo é determinar as geometrias para as sete etapas construtivas de um talude de modo que em todas elas o fator de seguranca FS minimo seja de 1.1.

Apesar de maiores valores de fator de seguranca significar uma maior seguranca para as etapas construtivas, isso também acarreta um maior custo à operacão, sendo aconselhável não ultrapassar 1.3.

Para a segunda parte, o objetivo era estimar apenas o talude final, definindo-se um nivel de água máximo para que o talude fosse estável, com fator de seguranca FS= 1.2.

3. Procedimento

3.1. Primeira Parte

Iniciando o programa indicado, especificou-se a funcão utilizada como sendo a Slope W/Analysis- Limit Equilibrium, assim como os dados estruturais do solo a ser escavado e necessários para a análise pelo critério de Mohr-Coulomb, =ɸ 33 graus, c= 20 kPa, γ= 18 kN/m3. A direção do movimento, devido à geometria do talude fornecido, foi definida como sendo "Right to Left"

Na opção para a superfície de escorregamento (slip surface), optou-se pela localização imediata da superfície crítica, já fornecendo o menor fator de segurança FS para a posição de talude analisada, uma vez que o programa é capaz de calcular todas as superfícies de escorregamento possíveis, sendo a de menor fator de segurança a mais importante e, portanto, crítica.

A fim de uma melhor visualização, ajustou-se a escala para 300 por 300 e adicionou-se os eixos ortogonais.

Para a efetiva construção do talude, desenhou-se um esboço (sketch) e adicionou-se as 7 regiões sugeridas no enunciado do trabalho, como indicado na Figura 2 abaixo:

3

Figura 2: Sketch do talude

A medida para a altura da base do talude, de 25 m, indicada na figura, foi escolhida para oferecer suficiente estabilidade ao talude, sendo ao mesmo tempo, suficientemente pequena de forma a obter-se um projeto economicamente eficiente. Taludes maiores implicam em maiores custos.

Estimadas as dimensões para o talude final, ou seja, como mostradas na figura altura total do talude de 75 metros, base maior do talude de 100 metros de comprimento e menor de 25 metros, e por fim, superficie do talude de 18 metros. Assim, estabeleceu-se a entrada e saida para os possiveis desmoronamentos a fim de calcular o fator de seguranca para o mesmo.

Como já foi dito, a ruptura ocorre em cunha, sendo possiveis infinitas geometrias para esta, sendo calculado um fator de seguranca para cada uma delas. Calculado o minimo FS como sendo 1.1, passa-se a próxima etapa do exercicio, que consiste em construir o talude a ser escavado.

Para esta etapa, inicia-se desenhando todas as regiões de 1 a 7, a serem retiradas uma a uma, como indicadas no enunciado do exercicio.

Após todas serem desenhadas, retira-se a região 1, cujas dimensões correspondem a base menor 10 metros, base maior 17 metros e altura 18 metros, Estabelece-se então a entrada e saida para o programa, e é calculado o fator de seguranca minimo FS como 1.1, como indicado na Figura 3:

4

Figura 3: Após remocão da primeira região 1.

Os valores para o fator de seguranca calculados para as diversas cunhas estão representados na tabela abaixo, sendo o menor deles, o critico, explicitado na primeira linha.

Tabela 1: Fatores de seguranca calculado para remocão da primeira região.

5

Este mesmo procedimento é então repetido para todas as demais regiões enumeradas de 2 a 7, e está ilustrado nas figuras e tabelas seguintes. As dimensões adotadas para cada uma das regiões estão indicadas na tabela 2 abaixo.

Tabela 2: Dimensões adotadas para cada uma das regiões a serem retiradas do talude.

RegiãoDimensão em metros

Base menor Base maior Altura1 10 17 182 29 50 183 22 15 184 26 39 125 22 22 126 3 26 20

7 22 22 20

6

Figura 4: Após remocão da segunda região 2.

Tabela 3: Fatores de seguranca calculado para remocão da segunda região.

7

Figura 5: Remocão da terceira região 3.

Tabela 4: Fatores de seguranca calculado para remocão da terceira região.

8

Figura 6: Remocão da quarta região 4.

É importante observar que a região 4 foi mudada do planejado no sketch, adotando-se umanova região no momento da remocão desta parte do talude.

Tabela 5: Fatores de seguranca calculado para remocão da quarta região.

9

Figura 7: Remocão da quinta região 5.

Tabela 6: Fatores de seguranca calculado para remocão da quinta região.

10

Figura 8: Remocão da sexta região 6.

Tabela 7: Fatores de seguranca calculado para remocão da sexta região.

11

Figura 9: Remocão da última região 7.

Tabela 8: Fatores de seguranca calculado para remocão da última região.

12

É importante mencionar que o fator de seguranca desejado FS = 1.1 não foi obtido na primeira geometria estimada. A geometria final foi obtida através de tentativa e erro. Quando o fator de seguranca calculado pelo programa era maior que 1.1, a inclinacão do talude era aumentada, de forma a reduzi-lo. O mesmo era feito para o inverso até obter-se o valor almejado.

Outra observacão importante, é o fato de que tentou-se deixar a mesma, ou quase a mesma, inclinacão para todas as regiões estimadas. Isso deve-se ao fato de que para taludes de mesma inclinacão e mesma altura, compostos do mesmo tipo de solo, se um deles é verificado como estável, esta verdade valerá também para os demais. Essa foi uma estratégia utilizada no dimensionamento da geometria das regiões de 1 a 7.

3.2. Segunda Parte

Para esta etapa final do trabalho, considera-se a existência de um nivel d'água no talude final, ou seja, já escavadas as sete regiões delimitadas.

É de se esperar que com a adicão do nivel freático a estabilidade do talude diminua e, portanto, é requisitado um fator de seguranca FS = 1.2 neste caso.

As condicões iniciais estabelecidas no programa devem ser então alteradas, incluindo a pressão piezométrica, neutra, da água.

Além disto, fez-se necessário aumentar a altura da base do talude para 45 m, a fim de aumentar sua estabilidade, compensando o efeito da água.

Redesenhando-se o talude, adicionando-se a linha d'água e inserindo-se as entradas e saidas para o programa, o fator de seguranca foi então recalculado até chegar a um valor critico para FS = 1.2.

Novamente, vale lembrar que a geometria final não foi obtida na primeira tentativa. Foi observado que quanto mais profundo este nivel de água, e quanto menos ingrime, mais estável seria o talude.

Desta forma, quando valores para o fator de seguranca superior a FS = 1.2 eram obtidos, bastava-se subir o nivel d'água mais para próximo da superficie ou deixa-lo mais ingrime. De forma análoga, o contrário era feito para valores de fator de seguranca inferiores a FS = 1.2.

Por tentativa e erro, esse procedimento foi repetido até que se obtivesse o fator de seguranca final almejado FS = 1.2, como indicado na Figura 9:

13

Figura 10: Talude final com nivel d'água incluido.

Os fatores de seguranca calculados para as diversas cunhas são explicitados na Tabela 8 a seguir:

Tabela 9: Fatores de seguranca calculado para o talude final, adicionado o nivel d'água.

14

4. Conclusão

Pela comparacão entre as duas etapas do trabalho, como previsto pela teoria do estudo de taludes, a elevacão do lencol freático leva à instabilizacão do material, sendo necessário aumentar o fator de seguranca aplicado na construcão de taludes, assim como aumento das dimensões e diminuicão de suas inclinacões.

Também evidenciou-se que pequenos incrementos nas dimensões dos taludes implicam em incrementos relativamente maiores dos fatores de seguranca, sendo então um desafio dimensionar eficientemente esses taludes de forma a obter-se uma seguranca aceitável em suas etapas construtivas juntamente com o devido retorno financeiro esperado do empreendimento.

15