Estudos Geotécnicos para Caracterização de Solos nas

Departamento de Engenharia Civil

Estudos Geotécnicos para Caracterização de Solos nas Cicatrizes de um Escorregamento no Distrito de Conquista: Nova Friburgo/RJ Aluno: Francisco Escobar Orientador: Tácio Mauro Pereira de Campos Co-Orientador: Hugo Portocarrero

Introdução Em janeiro de 2011, um grande número de escorregamentos ocorreu na região serrana do estado do Rio de Janeiro, abrangendo sete municípios. Este fenômeno, que ficou conhecido como Megadesastre ’11 da Serra Fluminense, resultou em aproximadamente 1000 mortes. A ordem de grandeza deste evento e o fato de ter ocorrido em áreas com ou sem ocupação urbana ou uso agrícola dos solos, põe em dúvida a ação antrópica como principal deflagradora do ocorrido, dando margem a uma série de teorias sobre quais fatores foram responsáveis pelos deslizamentos. A localização da região onde ocorreu o evento é por si só um fator de risco, uma vez que estes municípios estão no topo da Serra do Mar, uma cadeia montanhosa onde ocorre grande quantidade de chuvas, e cuja geografia é propícia a deslizamentos. O volume de chuva é, sem dúvida, um dos principais fatores condicionantes em desastres como este. Segundo relatos, ocorreu uma grande precipitação em um curto intervalo de tempo. De acordo com dados do INEA, no mês de janeiro de 2011 choveu 329,2 mm, sendo que apenas entre os dias 11 e 12, a quantidade de chuva foi de 212,6mm. É de fundamental importância para a compreensão das causas do fenômeno conhecer as características geotécnicas dos materiais presentes nas cicatrizes e determinar de seus parâmetros de resistência. Uma vez feito isto, é possível criar um modelo digital a partir dos resultados obtidos, que meça a estabilidade do talude e, em conjunto com os dados topográficos eos dados de chuva dos anos antecedentes à tragédia, simular seu comportamento frente a diversas situações, e ainda aferir se o volume de chuva necessário para causar os deslizamentos está de acordo com os valores que se tem disponíveis dos pluviógrafos da região. O presente relatório descreve resultados preliminares de ensaios de campo e laboratório (cisalhamento direto, permeabilidade in situ, distribuição granulométrica, densidade relativa dos grãos e limites de Atterberg) dos solos jovem e maduro de dois pontos da cicatriz do local conhecido como Prainha, no distrito de Conquista, em Nova Friburgo – RJ. Trata-se de uma cicatriz de aproximadamente 50 metros de altura e 60o de inclinação. Este deslizamento foi responsável por 15 mortes. A coleta de material se deu em dois pontos diferentes. O objetivo disto é aferir se é possível supor que as camadas representativas do solo são as mesmas nos dois pontos, o que permite concluir que é possível extrapolar os resultados obtidos para toda a cicatriz, facilitando a modelagem futura. Os pontos de coleta foram denominados Prainha I e Prainha II, e os solos retirados para estudo nestes locais foram o Solo Residual Jovem (SRJ) e o Solo Maduro (SM), considerados as camadas de solo representativas do local.


Figura 1 – Vista de satélite da cicatriz da Prainha e pontos de coleta.

Figura 2 – Vista frontal da cicatriz da Prainha.

Materiais e Métodos Experimentais 1. Permeabilidade in situ Para a realização dos ensaios de permeabilidade foi utilizado o Permeâmetro de Guelph do modelo 2800K1 (Soilmoisture Equipment Corp). O equipamento foi desenvolvido por Reynolds & Elrick (1983) e, em 1985, foi aperfeiçoado pelos mesmos na University of Guelph, no Canadá. Trata-se de um dispositivo composto por um frasco de Mariotte, um tubo de acrílico com uma régua graduada onde a água é introduzida e um tripé que permite adaptar o aparelho a terrenos irregulares. O frasco de Mariotte mantém a carga hidráulica constante dentro de um furo padronizado que deve ser feito no terreno. Desta forma, pode-se aferir a permeabilidade do solo. A eficiência da medida em campo da permeabilidade saturada (ksat) com o Permeâmetro de Guelph depende de um bom preparo do furo e da correta montagem do equipamento, enchimento dos reservatórios e posicionamento do permeâmetro. Para a realização do furo, é ainda necessário o uso de um trado com medidas padrão, e uma escova que possui a finalidade de retirar qualquer sujeira gerada na escavação do mesmo, que poderia criar uma barreira natural ao fluxo d’água na parede do furo. Na determinação do coeficiente de permeabilidade - ksat - foram utilizadas as formulações propostas por Elrick et al. (1989) e por Reynolds & Elrick (1985) para, respectivamente, o emprego de uma e de duas cargas hidráulicas constantes. Na realização do ensaio, instala-se o permeâmetro de maneira adequada, evitando que resíduos de solo entupam a ponta porosa do aparelho. Com o auxílio de uma régua, aplica-se dentro do furo uma carga hidráulica de 5cm, e anota-se, para cada intervalo de tempo (em geral 1 ou 2 minutos, a depender da variação do nível na reserva do permeâmetro), o quanto o nível d’água diminuiu dentro do aparelho. Quando a variação se repetir três vezes consecutivas, pode-se afirmar que criou-se um bulbo saturado de água na região em torno do ponto onde está ocorrendo o ensaio, e já é possível então determinar o coeficiente de permeabilidade saturado do solo. Em seguida, repete-se o procedimento, para uma carga hidráulica de 10cm. Quando não é possível, por qualquer motivo, realizar o ensaio com duas cargas diferentes, utiliza-se apenas uma delas, e, para a obtenção do ksat, é necessária uma metodologia diferente. Os valores do ksat dependem de como é o esqueleto do solo. Os ensaios de caracterização podem dar uma contribuição para a avaliação da qualidade do ensaio, uma vez que quanto menores forem os grãos do solo estudado, menores serão os espaços entre estes, e é exatamente nestes espaços vazios que a água percola. Porém, é preciso ter cuidado nesta


avaliação, pois a conectividade entre os vazios é fundamental no resultado deste ensaio, e não se pode dizer nada sobre esta conectividade nos ensaios de caracterização.

Figura 1 - Ensaio de permeabilidade.

Figura 4 – Modelo esquemático do permeâmetro de Guelph

2. Cisalhamento Direto O ensaio de cisalhamento direto é utilizado para determinar parâmetros de resistência do solo. Para sua realização, deve-se moldar corpos de prova de dimensões 10x10x2 cm, com o auxilio de um anel de cisalhamento. O corpo de prova é então retirado do anel e inserido em uma caixa de cisalhamento, que é dividida horizontalmente, a meia altura. O deslocamento relativo das duas metades da caixa gera no material tensões cisalhantes, que vão crescendo progressivamente à medida que o ensaio se desenvolve, até que haja ruptura do material. O ensaio é realizado com velocidade de deslocamento constante, o que é possível graças a um motor elétrico que desloca uma das metades da caixa de cisalhamento em relação à outra. A moldagem dos corpos de prova pode ser feita em campo ou em laboratório. No segundo caso, um bloco de solo deve ser retirado do local, e algumas providências devem ser tomadas de modo a manter as características do material. Primeiramente o bloco deve ser embrulhado por algumas camadas de filme de PVC e depois por uma camada de papel alumínio, de modo a evitar perda de umidade e dar alguma resistência mecânica, e ainda preservar, na medida do possível, a temperatura do material. É de suma importância também registrar qual lado é o superior e qual é o inferior, evitando assim o risco de se inverter a posição original do bloco posteriormente. Ao chegar no laboratório, o bloco deve ser embrulhado com parafina e um tecido especial, e armazenado em uma câmara úmida, para garantir a preservação da umidade original. O ensaio é dividido em duas etapas – adensamento e cisalhamento. Na primeira, o material, já na caixa de cisalhamento, é submerso em água e submetido a uma tensão normal, através de pesos que são postos em um pendural, o qual é apoiado diretamente no corpo de prova. O material fica neste estado por um período de 24 horas, de modo que se garanta a saturação do mesmo. Através do processo de adensamento, calcula-se a velocidade máxima de deslocamento a ser utilizada na etapa seguinte, conforme proposto por Head (1986). Esta, durante o ensaio, não deve ser superior à velocidade calculada, para que haja tempo suficiente para que o excesso de poropressão gerado no solo com o deslocamento da caixa seja dissipado. Durante a etapa de cisalhamento, a força normal aplicada no corpo de prova é


mantida. Dá-se pequeno afastamento entre as metades superior e inferior da caixa decisalhamento para que o atrito entre estas não influencie nos resultados. Durante o ensaio são medidos os deslocamentos horizontal e vertical através de extensômetros digitais, e a força de deslocamento exercida pelo motor na caixa de cisalhamento através de um anel de carga, também digital. Os dados são armazenados em um sistema de aquisição de dados. As tensões devem ser corrigidas conforme a área de contato entre as metades superior e inferior vai diminuindo, uma vez que se dá um deslocamento relativo entre elas. O peso e a umidade do corpo de prova são medidos antes e depois do ensaio. Este procedimento deve ser realizado pelo menos três vezes, para cada tipo de solo. Em cada um dos ensaios deve ser utilizada uma tensão normal diferente da anterior, comumente dobrando a tensão de um ensaio para o outro. Quanto maior a tensão normal aplicada, maior será a tensão de cisalhamento no solo no momento da ruptura. Aqui, foram utilizadas tensões normais de 27KPa, 51KPa e 98KPa para todos os tipos de solo. Para cada ensaio anota-se a tensão normal e a tensão de cisalhamento existentes no corpo de prova no momento da ruptura. Assim, ao final de três ensaios, obtém-se três pares ordenados. Com os três pontos, é possível traçar a reta que representa a envoltória de ruptura do material, e aferir a qualidade dos ensaios. Para os ensaios realizados neste projeto foram utilizadas duas prensas Wykeham Farrance Slough do laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio, e o sistema de aquisição de dados Catman Easy, do mesmo laboratório.

Figura 5 – Moldagem de corpo de prova.

Figura 6 – Prensa de cisalhamento.

3. Granulometria Para o ensaio de granulometria foi utilizada uma série de peneiras de diferentes aberturas de malha, padronizada pela ABNT, para caracterização do material grosso, e o processo de sedimentação foi utilizado para caracterização do material fino. Esta é a recomendação da norma NBR7181/84. Material grosso é constituído de pedregulho, areia grossa e areia fina. Silte e argila são caracterizados como material fino. O material utilizado para ensaio foi retirado dos blocos indeformados coletados em campo. Primeiramente ele ficou exposto ao ambiente por alguns dias para que atingisse a umidade higroscópica. Sucessivamente, foi destorroado com o auxilio de um almofariz de porcelana e de uma mão de almofariz. Para realizar a separação, o material é passado na peneira 40. O que nela ficar retido é passado na seguinte série de peneiras: 1 ½, ¾, 3/8, 5/16, ¼, 4, 8, 10 e 20. Este é o denominado peneiramento grosso. A parte passante na peneira 40 é então passada nas peneiras 60, 100 e 200, no chamado peneiramento fino. Para realização do ensaio, monta-se a série de peneiras, e o solo é ali colocado e deixado em uma mesa vibratória


por um período de pelo menos 15 minutos. Cada peneira deve ser pesada antes e depois do ensaio. Desta forma, determina-se a porcentagem de material que ficou retida em cada uma. A fração passante na peneira 200 é o fino, que será caracterizado através da sedimentação, como mencionado anteriormente. Para realização deste ensaio, o solo fica em uma solução com hexametafosfato de sódio, que é um defloculante que atua para desagregar as partículas de solo, durante um período de 24 horas. Após isto, é colocado em uma proveta que contém água destilada, e mede-se a densidade da solução final em função do tempo, uma vez que as partículas de maior diâmetro sedimentam primeiro.

Figura 7 – Material secando ao ar.

Figura 8 – Material sendo destorroado.

Figura 9 – Mesa Vibratória.

Figura 10 – Processo de sedimentação.

4. Limites de Atterberg Os ensaios de limite de liquidez e limite de plasticidade seguiram as prescrições das normas NBR 6459/84 e NBR 7180/84, respectivamente. É utilizado material passante na peneira 40, previamente seco ao ar e destorroado, assim como no ensaio de granulometria. O solo é então misturado com água destilada de maneira a produzir uma pasta com boa trabalhabilidade. Para o ensaio de limite de plasticidade a pasta é rolada em cima de uma placa porosa de vidro, de maneira a ficar com o formato cilíndrico igual ao de uma gabarito metálico.


Quando se atinge a forma desejada, continua-se rolando o material na placa, até que surjam fissuras. Neste momento, deve-se calcular a umidade do solo, colocando-o em cápsulas metálicas de peso conhecido, pesando o conjunto cápsula + solo + água, e levando a estufa à temperatura de 105 ± 5 oC, lá deixando por 24h. Após este tempo, pesa-se o conjunto cápsula + solo seco e obtém-se a umidade do material pela razão entre a massa de água e a massa de solo seco. O valor da umidade obtida no momento do surgimento de fissuras no solo representa o limite de plasticidade daquele solo. Para o limite de liquidez é utilizado um aparelho denominado Aparelho de Casagrande. Completa-se aproximadamente 2/3 da concha deste com a mesma pasta utilizada no ensaio de limite de plasticidade. Com um cinzel, abre-se uma ranhura vertical no meio da amostra, e gira-se a manivela do aparelho de modo a produzir duas batidas da concha na base por segundo. Conta-se o numero de batidas necessário para que a ranhura se feche, e coleta-se o material localizado onde a ranhura se fechou para obtenção da umidade, de maneira semelhante à descrita anteriormente. Deve-se repetir este processo para a pasta com diferentes umidades. Para variar a umidade desta, basta misturar água destilada ou simplesmente deixar secar um pouco ao ar. Deve-se então plotar uma curva que represente a umidade da região onde a ranhura se fechou contra o numero de golpes necessários para que tal ocorresse. A umidade referente a uma amostra que necessitou de 25 golpes para o término do ensaio, é denominada limite de liquidez.

Figura 11 – Cilindro de solo e gabarito metálico – limite de plasticidade.

Figura 12 – Aparelho de Casagrande – limite de liquidez.

Figura 12 – Materiais em cápsulas metálicas para obtenção das respectivas umidades.


5. Densidade Relativa dos Grãos Para realização do ensaio de densidade relativa dos grãos, assim como os demais ensaios de caracterização do solo, foi utilizado material passante na peneira 40. Para cada tipo de solo foram disponibilizados pouco mais de 100g de material, que foi posto em estufa durante um período de 24h, para garantir que o solo ficasse totalmente seco. Utiliza-se 4 picnômetros de 250 ml. Coloca-se 25g de material em cada um dos picnômetros secos (previamente pesados com água destilada preenchendo todo seu volume). A cada picnômetro adiciona-se água destilada, de maneira a preencher aproximadamente 1/3 do volume do frasco, e leva-se este a uma bomba de vácuo, para retirar o ar que fica preso entre as partículas de solo. Após a retirada de todo o ar presente na solução, preenche-se o restante do volume do frasco com água e deixa-se este repousando em uma bacia com um pouco de água, para que haja equalização de temperaturas, uma vez que o frasco baixa sensivelmente sua temperatura quando submetido a vácuo. Nesta bacia deve haver um termômetro. Uma vez equalizada a temperatura com os quatro frascos no banho, estes são secos e a massa do conjunto é novamente medida, em balança de pelo menos duas casas decimais. Conhecendo-se a massa dos picnômetros preenchidos com água destilada e depois com água + solo, e tendo em mãos a temperatura da água no momento da pesagem, de modo a conhecer sua massa específica naquele momento, pode-se aferir a massa específica e a densidade relativa dos grãos do solo.

Figura 15 – Bomba de vácuo. Figura 14 – Solo sendo adicionado ao picnômetro.

Figura 16 – Picnômetros equalizando em bacia com água.


Resultados e conclusões 1.

Permeabilidade in situ

A tabela 1, mostrada abaixo, indica os resultados obtidos nos ensaios de permeabilidade in situ realizados nesta pesquisa, bem como a umidade gravimétrica presente no solo no momento do ensaio. Localização

Solo

ksat (cm/s)

w (%)

Prainha I Prainha I Prainha II

SRJ SM SRJ

5,43 E-3 2,57 E-3 7,37 E-5

14.06 18.39 17.21

Prainha II SM 8,26 E-4 14.01 Tabela 1 – Resultados do ensaio de permeabilidade.

Nota-se uma descontinuidade no coeficiente de permeabilidade entre o SM e o SRJ, que chega a ser de uma ordem de grandeza na Prainha II. Esta descontinuidade pode ter tido grande influencia no desastre, uma vez que tende a haver um acumulo de água na interface entre os solos SM e SRJ no decorrer da chuva, o que pode gerar fluxo d’água nesta interface, criando um plano de fraqueza na encosta. 2.

Cisalhamento Direto

Prainha II SM

Prainha II SRJ

Prainha I SM

Prainha I SRJ

Solo

A tabela 2 mostra algumas características geotécnicas dos corpos de prova de cada um dos ensaios de cisalhamento realizados em cada tipo de solo estudado. Na tabela, “σN” representa a tensão normal utilizada no ensaio, “wi” a umidade inicial do corpo de prova, “γt” e “γd” representam, respectivamente, o peso especifico total e o peso especifico seco, “e” representa o índice de vazios inicial, “S i” o grau de saturação inicial e “w f” a umidade final. σN (kPa)

wi (%)

e

Si (%)

wf (%)

27 51

21,3 20,3

17,3 18,2

14,2 15,2

0,9 0,7

67,2 74,1

32,5 32,5

98

22,5

17,7

14,5

0,8

74,0

31,6

27

22,4

13,5

11,1

1,3

44,3

42,2

51 98

23,5 23,4

14,3 15,1

11,6 12,3

1,2 1,1

50,3 55,7

39,1 35,8

27

19,8

18,6

15,5

0,7

75,8

30,1

51 98

18,4 18,2

18,3 18,1

15,4 15,3

0,7 0,7

69,4 67,2

30,7 27,7

28 50

26,6 26,8

15,0 14,9

11,8 11,7

1,2 1,2

58,7 58,4

41,7 40,3

98

26,7

15,3

12,1

1,2

61,5

33,9

γt γd (KN/m³) (KN/m³)

Tabela 2 – Características geotécnicas dos corpos de prova dos ensaios de cisalhamento direto.


As figuras 17 a 20 ilustram os resultados gráficos dos ensaios de cisalhamento. Tomando-se como base a metodologia sugerida por de Campos e Carrillo (1995) foram definidas as tensões na ruptura para os solos (Tabela 3), e com esses dados foram traçadas as envoltórias de tensão para a situação geral, como mostrado nas figuras 21 e 22.

Figura 17 – Resultado do ensaio de cisalhamento de Prainha I SRJ.

Figura 19 – Resultado do ensaio de cisalhamento de Prainha II SRJ.

.

Figura 18 – Resultado do ensaio de cisalhamento de Prainha I SM.

Figura 20 – Resultado do ensaio de cisalhamento de Prainha II SM.


SRJ

Prainha I

Prainha II

SM

σrup (kPa) 27,20 53,90

τ rup (kPa) 7,00 32,40

σ rup (kPa) 27,50 52,70

τ rup (kPa) 7,10 23,20

109,50

85,50

105,60

34,50

27,40 53,80

7,90 19,40

29,80 51,80

21,10 10,70

99,40 51,70 102,80 54,30 Tabela 3 - Resultados dos ensaios de cisalhamento.

Figura 21 – Envoltória de Prainha I SRJ e SM.

Figura 22 – Envoltória de Prainha II SRJ e SM.

Duas importantes propriedades dos solos são obtidas com as envoltórias de ruptura, a coesão do solo (c’) e o ângulo de atrito interno (φ’). Estes são os parâmetros de resistência do solo e são caracterizados, respectivamente, pelo coeficiente linear e pelo ângulo da reta obtida com a horizontal. São basicamente estas propriedades que serão necessárias para a simulação da estabilidade em computador. Nota-se que as curvas das envoltórias não foram satisfatoriamente precisas, de modo a exigir repetições para estes ensaios. Na tabela 4 observamos os valores obtidos de c’ e φ’. Solo

Local c’ Φ’ Prainha I 0,00 35,85 SRJ Prainha II 0,00 25,31 Prainha I 1,18 18,25 SM Prainha II 0,00 25,57 Tabela 4 – Parâmetros de resistência.

3.

Granulometria

Na figura 23 que segue abaixo, podemos observar as distribuições granulométricas dos materiais estudados. A tabela 5 representa estes valores em porcentagens, referentes a cada fração existente nos solos.


Figura 23 – Gráfico das distribuições granulométricas.

Solo

Pedreg.

Areia

Silte

Argila

Prainha I SM

17,0

45,5

9,1

28,5

Prainha I SRJ

0,1

40,1

38,5

21,3

Prainha II SM

3,5

44,1

11,5

40,9

Prainha II SRJ

0,9

57,6

28,5

13,0

Tabela 5 – Frações presentes nos solos e sua devidas porcentagens.

Pelos resultados indicados acima, nota-se que nos SRJ há predomínio de areia e silte, com uma quantidade significativa de argila. Nos SM fica caracterizada a predominância de areia e argila, com presença de pedregulhos. Embora não seja possível afirmar com certeza, estes resultados indicam que o SM pode tratar-se de um colúvio. 4.

Limites de Atterberg

A tabela 6 expressa os resultados obtidos nos ensaios de limite de plasticidade e limite de liquidez.


Solo

LL (%)

LP (%)

IP (%)

Prainha I SM 43,1 24,7 18,4 Prainha I SRJ 43,3 36,5 6,8 Prainha II SM 43,4 27,8 15,7 Prainha II SRJ 33,8 32,6 1,1 Tabela 6 – Limite de liquidez (LL), limite de plasticidade (LP) e índice de plasticidade (IP).

Nos SM, embora a fração argila seja maior, isto não representou um valor maior no limite de plasticidade quando comparados aos SRJ, o que indica que a plasticidade destes últimos se deve também ao elevado percentual da fração silte. 5.

Densidade Relativa dos Grãos

Na tabela 7 estão os resultados dos ensaios de massa específica e densidade relativa dos grãos. Gs ρs (g/cm³) (g/cm3) Prainha I SM 2,630 2,625 Prainha I SRJ 2,683 2,679 Prainha II SM 2,658 2,653 Prainha II SRJ 2,695 2,690 Tabela 7 – Massa específica e densidade relativa dos grãos.

Solo

Os valores indicam predomínio de quartzo na fração areia, pois as densidades dos grãos aproximam-se à deste (2,65). Feldspato e mica existem, mas de maneira menos significativa.

Conclusões Os resultados obtidos nesta pesquisa até o momento indicam variação de textura ao longo do perfil de solo das cicatrizes, indo desde silte arenoso ou areia siltosa no SRJ, à argila com presença de pedregulhos no SM. As envoltórias de resistência, embora representem apenas ensaios preliminares, indicam resistência mais baixa no SM em relação ao SRJ. O ensaio de permeabilidade in situ indica descontinuidade hidráulica entre o SM e o SRJ, podendo chegar a duas ordens de grandeza. Estes resultados já são suficientes para geração de um modelo do talude em computador. O modelo gerado, porém, não seria representativo do talude real, uma vez que os ensaios geotécnicos necessitam de muita repetição para obtenção de valores confiáveis. Os ensaios aqui apresentados que mais necessitam repetição são os de cisalhamento direto. Os três pares ordenados obtidos neles, utilizados para construir as envoltórias, não geraram curvas com a precisão desejada. Novos ensaios de permeabilidade também seriam bemvindos, de modo a obter com mais precisão a diferença de coeficiente de permeabilidade dos SM para os SRJ. Uma vez obtidas as variáveis necessárias para geração do modelo, com a devida segurança, será possível simular qual a quantidade de chuva necessária para levar o talude à ruína e comparar com os valores que se tem disponóveis, e ainda prever qual a precipitação que pode levar a novos desastres na região. Caso este estudo seja ampliado para outros


taludes, possibilitando uma caracterização geotécnica geral da região, e não apenas pontual, será possível contribuir de maneira significativa para os sistemas de alerta que se deseja implantar nos municípios atingidos. Desta maneira, caso um novo incidente venha a ocorrer, poder-se-á reduzir significativamente o numero de vítimas, com a utilização de um sistema de prevenção eficaz.

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