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de taludes

Denise M. S. Gerscovich

estabilidade_taludes.indb 3 4/4/2012 14:44:23

Copyright 2012 Oficina de Textos

Grafia atualizada conforme o Acordo Ortogrfico da Lngua Portuguesa de 1990, em

vigor no Brasil a partir de 2009.

Conselho editorial Cylon Gonalves da Silva; Jos Galizia Tundisi; Luis Enrique Snchez; Paulo Helene; Rozely Ferreira dos Santos;

Teresa Gallotti Florenzano

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Gerscovich, Denise Estabilidade de taludes / Denise Gerscovich. -- So Paulo : Oficina de Textos, 2012.

Bibliografia.ISBN 978-85-7975-043-4

1. Engenharia de estruturas 2. Geotcnica 3. Geotxteis 4. Mecnica do solo I. Ttulo.

12-03568 CDD-624

ndices para catlogo sistemtico:

1. Estabilidade de taludes : Engenharia civil 624


Agradeo aos meus mestres, que me ensinaram como enfrentar o

desafio de prever o comportamento de um material to complexo,

produto da natureza.

Agradeo aos meus alunos, que motivaram a organizao deste

volume.

Agradeo minha famlia, que me apoiou em todos os momentos

da minha vida.

Agradeo Faperj pelo apoio ao ensino e pesquisa no Rio de

Janeiro.

Agradecimentos


AApresentao

A questo da segurana envolvendo taludes em materiais geome-

canicos (solos, alterao de rocha, fraturas e descontinuida-

des, rochas) um problema recorrente nas Engenharias Civil e

Geotcnica, seja envolvendo encostas naturais, seja envolvendo

taludes de aterros e pilhas. Em muitas situaes nos mais diver-

sos tipos de obras e outras intervenes humanas, a avaliao da

segurana de taludes o fator controlador de projetos, normal-

mente expresso sob a forma de um coeficiente de segurana

mnimo a ser estabelecido como critrio de projeto/implantao ou

sob outras formas de expressar a segurana (p.ex., probabilidade

de ruptura). Destacam-se ainda as frequentes ocorrncias recentes

de fenmenos macios de movimentao de massa em encostas

naturais, com maior ou menor influncia humana.

Apesar do assunto estabilidade de taludes ser tratado como captulo

em grande nmero de livros-texto particularmente estrangeiros, mas

tambm em algumas referncias brasileiras , havia uma carncia de

um texto mais especfico envolvendo as anlises de estabilidade com

uma abordagem tanto qualitativa como quantitativa.

O livro da Profa. Denise Gerscovitch vem suprir essa lacuna na

literatura tcnica bsica brasileira. Pela sua estruturao, este livro

fornece uma viso abrangente do problema de avaliao da segurana

de taludes naturais, aterros e pilhas, cobrindo os diversos aspectos do

problema envolvendo:

1. identificao do tipo de movimento de massa, essencial para

seleo do mtodo de avaliao qualitativa ou de anlise quantita-

tiva do fenmeno;

2. conceituao das causas possveis dos escorregamentos e conse-

quente seleo do tipo de anlise a ser aplicada em cada caso;

3. definio do tipo de solicitao envolvida (drenada ou no drenada,

curto ou longo prazo) e consequente definio do tipo de anlise

a ser aplicada (tenses efetivas ou totais, materiais saturados ou

parcialmente saturados);


4. identificao e determinao dos parmetros geomecnicos dos

materiais (solos, rochas, planos de fraqueza, descontinuidade)

requeridos nos tipos de movimento e de anlise identificados; e

5. descrio detalhada dos mtodos de clculo usados em anlises de

estabilidade, aplicveis em cada situao.

A Profa. Denise tem slida formao bsica e acadmica e larga

experincia em estudos e avaliaes envolvendo estabilidade de encos-

tas naturais e taludes de aterros, sob diferentes condies. Tambm

professora de cursos de graduao e ps-graduao relacionados com

esse assunto e supervisionou diversas teses de mestrado e trabalhos

de final de curso, alm de diversas palestras tcnicas e relatos gerais

em conferncias. Ressalte-se tambm sua participao na equipe que

elaborou o Manual de Estabilidade de Encostas da Geo-Rio, referncia brasi-

leira obrigatria sobre o assunto. Seu trabalho de pesquisa de douto-

ramento, relacionado com estabilidade de encostas, destacou-se pelo

tratamento simultneo do problema de infiltrao de gua de chuva em

encostas naturais, parcialmente saturadas, com a avaliao de efeitos

tridimensionais nos estudos de fluxo e estabilidade. O trabalho ainda

abrangeu o estudo de um caso real de escorregamento de grande porte e

importncia em encosta natural no Rio de Janeiro, tornando-se um dos

mais completos e inovadores nessa rea.

Tendo acompanhado ao longo de vrios anos as atividades acad-

micas e profissionais da Profa. Denise, tenho a certeza de que a presente

publicao se tornar uma referncia obrigatria em cursos de gradua-

o em Engenharia Civil e Engenharia Geotcnica, assim como impor-

tante referncia para cursos de ps-graduao e para profissionais de

Engenharia Geotcnica.

Vamos esperar que, em breve, a autora d continuidade a esta

primeira publicao, envolvendo exemplos e casos de aplicaes e um

novo texto envolvendo mtodos de clculo das tcnicas de estabilizao

de encostas.

Leandro de Moura Costa Filho

Scio-Diretor da LPS Consultoria e Engenharia


SSumrio

1 Tipos de talude e movimento de massa ...............................................131.1 Tipos de talude ........................................................................................................... 131.2 Tipos de movimento de massa ........................................................................... 17

2 Conceitos bsicos aplicados a estudos de estabilidade ................372.1 Conceito de tenso ................................................................................................... 372.2 Conceito de deformaes .................................................................................... 442.3 Comportamento tenso x deformao ............................................................. 442.4 Tenses em solos ...................................................................................................... 482.5 gua no solo ................................................................................................................ 592.6 Resistncia ao cisalhamento ................................................................................. 77

3 Concepo de projeto de estabilidade ...............................................853.1 Quanto geometria da ruptura ........................................................................... 873.2 Quanto ao mtodo de anlise .............................................................................. 873.3 Quanto escolha da condio crtica: final de construo x longo prazo ........................................................................................ 933.4 Quanto ao tipo de anlise .................................................................................... 953.5 Quanto aos parmetros dos materiais .............................................................. 96

4 Mtodos de estabilidade ........................................................................1014.1 Talude vertical solos coesivos ........................................................................... 1014.2 Blocos rgidos .............................................................................................................. 1034.3 Talude Infinito .............................................................................................................. 1054.4 Superfcies planares ................................................................................................ 1094.5 Superfcie circular ....................................................................................................... 1134.6 Superfcies no circulares ....................................................................................... 1354.7 Comentrios sobre os mtodos de Equilbrio limite ................................... 146

Anexo A ............................................................................................................151Anexo B ............................................................................................................157

Referncias bibliogrficas citadas e recomendadas ..........................161


1tipos de talude e movimento de massa1.1 Tipos de talude

Talude a denominao que se d a qualquer superfcie inclinada de

um macio de solo ou rocha. Ele pode ser natural, tambm denomi-

nado encosta, ou construdo pelo homem, como, por exemplo, os

aterros e cortes.

A Fig. 1.1 exemplifica vrias situaes prticas em que as anli-

ses de estabilidade so necessrias. No caso de aterros construdos ou

cortes, a anlise deve ser realizada considerando as alteraes geradas

ao longo da execuo e aps o trmino da obra, de forma a identificar a

condio mais crtica em termos de segurana. No caso de barragens de

terra, deve-se analisar a estabilidade nas diversas etapas de construo

e operao, isto , no final da construo, durante a operao e em situa-

es em que a barragem poder estar sujeita a um rebaixamento rpido

do reservatrio. As barragens de rejeitos so estruturas semelhantes s

barragens de terra, entretanto, tm a funo de estocagem de resduo

e, em muitos casos, o prprio rejeito usado como material de constru-

o. Esse tipo de obra tem como condio crtica a baixa capacidade de

suporte do resduo.

A ruptura em si caracteriza-se pela formao de uma superfcie de

cisalhamento contnua na massa de solo. Portanto, existe uma camada

de solo em torno da superfcie de cisalhamento que perde suas caracte-

rsticas durante o processo de ruptura, formando assim a zona cisalhada,

conforme mostrado na Fig. 1.2. Inicialmente, forma-se a zona cisalhada

e, em seguida, desenvolve-se a superfcie de cisalhamento.

1.1.1 Taludes construdosOs taludes construdos pela ao humana resultam de cortes em

encostas, de escavaes ou de lanamento de aterros.

Os cortes devem ser executados com altura e inclinao adequa-

das, para garantir a estabilidade da obra. O projeto depende das proprie-

dades geomecnicas dos materiais e das condies de fluxo.


Estabilidade de taludes22

Corridas

Corridas so movimentos de alta velocidade ( 10 km/h) gerados pela perda completa das caractersticas de resistncia do solo. A

massa de solo passa a se comportar como um fluido e os desloca-

mentos atingem extenses significativas.

O processo de fluidificao pode originar-se por: i) adio de gua

em solos predominantemente arenosos; ii) esforos dinmicos (terre-

moto, cravao de estacas etc.); iii) amolgamento em argilas muito sensi-

tivas. Dentre esses fatores, a presena de gua em excesso em perodos

de precipitao intensa mais usual.

A forma da corrida assemelha-se a uma lngua, na qual se distin-

guem trs elementos (Fig. 1.8): a regio de montante, denominada raiz,

Fig. 1.7 Distribuio de velocidade em funo do tipo de movimento (modificado de Lacerda, 1966)

Fig. 1.6 Exemplo de rastejo (Sharpe, 1938 apud Guidicini e Nieble, 1983)


1 | Tipos de Talude e Movimento de Massa31

resistncia ao cisalhamento. Assim, os

mecanismos deflagradores da ruptura

podem ser divididos em dois grupos

(Quadro 1.6).

No caso de encostas naturais, o

movimento de massa induzido pela infil-

trao de guas de chuva um fenmeno

comum em regies montanhosas tropicais.

Entretanto, retroanlises de casos hist-

ricos demonstram que, em alguns deles,

a infiltrao da gua atravs da super-Fig. 1.21 Condio de ruptura por escorregamento

Quadro 1.6 Classificao dos fatores deflagradores dos movimentos de massa

ao faToreS fenmenoS geolgicoS / anTrpicoS

Aum

ento

da

solic

ita

o

Remoo de massa (lateral ou da base) (Fig. 1.22)

ErosoEscorregamentosCortes

Sobrecarga Peso da gua de chuva, neve, granizo etc.Acmulo natural de material (depsitos)Peso da vegetaoConstruo de estruturas, aterros etc.

Solicitaes dinmicas Terremotos, ondas, vulces etc.Exploses, trfego, sismos induzidos

Presses laterais gua em trincas (Fig. 1.23 )CongelamentoMaterial expansivo

Redu

o

da re

sist

ncia

ao

cisa

lham

ento

Caractersticas inerentes ao material (geometria, estruturas etc.)

Caractersticas geomecnicas do material

Mudanas ou fatores variveis

Ao do intemperismo provocando alteraes fsico--qumicas nos minerais originais, causando quebra das ligaes e gerando novos minerais com menor resistncia.Processos de deformao em decorrncia de variaes cclicas de umedecimento e secagem, reduzindo a resistncia.Variao das poropresses (Fig. 1.24 ):Elevao do lenol fretico por mudanas no padro natural de fluxo (construo de reservatrios, processos de urbanizao etc.). Infiltrao da gua em meios no saturados, causando reduo das presses de gua negativas (suco).Gerao de excesso de poropresso, como resultado de implantao de obras.Fluxo preferencial atravs de trincas ou juntas, aceleran-do os processos de infiltrao.

Fonte: adaptada de Varnes (1978).


2conceitos bsicos aplicados a estudos de estabilidadeEm geral, os estudos de estabilidade de taludes seguem a seguinte

metodologia:

definio da topografia do talude; definio das sobrecargas a serem aplicadas sobre o talude, caso

existam;

execuo das investigaes de campo para definir a estratigrafia e identificar os elementos estruturais eventualmente enterrados na

massa e os nveis freticos;

definio das condies crticas do talude, considerando diversos momentos da vida til da obra;

definio dos locais de extrao de amostra indeformada; realizao de ensaios de caracterizao, resistncia ao cisalhamento

e deformabilidade (para estudos de anlise de tenses);

anlise dos resultados dos ensaios para definir os parmetros de projeto;

adoo de mtodos de dimensionamento para a obteno do fator de segurana ou das tenses e deformaes.

A qualidade do projeto depende da confiabilidade das investigaes

de campo e laboratrio e da capacidade do projetista em interpretar os

resultados experimentais, definir os parmetros de projeto e, principal-

mente, analisar os diferentes cenrios possveis que possam alterar as

condies de resistncia ao cisalhamento e reduzir o fator de segurana.

A seguir, apresentam-se os conceitos bsicos necessrios para a

realizao de um estudo de estabilidade.

2.1 Conceito de tensoQualquer ponto no interior da massa de solo est sujeito a esforos,

em razo do peso prprio, alm daqueles gerados pela ao de foras

externas. Esses esforos podem ser representados por suas resultantes,

atuantes nas direes normal (Ra) e tangencial (Ta), a partir das quais,



Fig. 2.1 Tenses no ponto P (plano a)

definem-se os estados de tenso normal (sa) e cisalhante (ta), como mostra a Fig. 2.1.

(2.1)

(2.2)

Ao se ampliar esse conceito

para a condio tridimensional,

quando um sistema de eixos ortogo-

nais passa por um determinado

ponto, as componentes de tenso so

definidas por nove parcelas, repre-

sentadas graficamente na Fig. 2.2.

Conhecidas as componentes

das tenses em trs planos ortogo-

nais em torno de um ponto, as

componentes da tenso em qualquer

outro plano podem ser obtidas pelas

equaes de equilbrio de foras (Fig. 2.3).

Existem alguns planos e condies com caractersticas especiais,

descritos a seguir.

Planos principais as tenses cisalhantes so nulas e as tenses normais so designadas por s1 > s2 > s3.

Invariantes de tenso (I1, I2, I3) as direes e magnitudes das tenses principais so independentes das orientaes dos eixos X,

y e z. Assim,

Fig 2.2 Componentes de tenso tridimensional



2.4.3 Tenses in situ Superfcie horizontalAs tenses in situ so originadas pelo peso prprio do macio e sua

determinao pode ser bastante complexa em situaes de grande

heterogeneidade e topografia irregular. No entanto, quando a

superfcie do terreno, assim como as subcamadas, so horizontais

e h pouca variao das propriedades do solo na direo horizon-

tal, a determinao das tenses in situ relativamente simples.

A esta situao d-se o nome de geosttica.

Em condio geosttica, no existem tenses cisalhantes atuando

nos planos verticais e horizontais, razo pela qual esses planos

correspondem aos planos principais de tenso. Esse cenrio pode ser

idealizado a partir da anlise do processo de formao de um solo

sedimentar, no qual a deposio de sucessivas camadas impe aos

elementos de solo acrscimos de tenso que tendem a gerar deformaes

verticais e horizontais (Fig.2.21). Na direo horizontal, as deformaes

se anulam, uma vez que h uma compensao de tendncia de desloca-

mentos entre elementos adjacentes. Com a inexistncia de tendncia de

deslocamento horizontal, no so mobilizadas tenses cisalhantes nos

planos horizontais durante o processo de

formao do depsito. Como consequncia,

os planos horizontais e verticais so planos

principais.

No atender qualquer um dos requi-

sitos da Fig. 2.21 pode acarretar o apareci-

mento de tenses cisalhantes nos planos

horizontais e verticais. No caso de super-

fcies inclinadas, por exemplo, a tendncia

de movimentao da massa de solo

gera tenses cisalhantes nos planos

horizontais e, consequentemente,

verticais (Fig.2.22).

Em casos de superfcie incli-

nada, a prtica tem mostrado que

o clculo da tenso vertical pode

ser feito com a mesma metodologia

adotada para a condio geost-

tica; entretanto, a determinao dos

demais estados iniciais de tenses

mais complexa.Fig. 2.22 Superfcie inclinada

Fig. 2.21 Condio geosttica solo sedimentar


2 | Conceitos bsicos aplicados a estudos de estabilidade69

denominados aquferos. A permeabilidade do material no deter-

mina se este se torna um aqufero. O que importa o contraste

de permeabilidades com os materiais circundantes, isto , uma

camada de solo siltoso pode se tornar um aqufero se estiver

contida entre camadas argilosas.

Os aquferos podem estar confinados entre duas camadas imper-

meveis ou no confinados. Em geral, os aquferos confinados so

saturados, enquanto os no confinados podem estar parcialmente

saturados ou no apresentar nvel dgua.

Aquferos em que a carga piezomtrica superior cota de sua

extremidade superior so denominados aquferos artesianos. Em alguns

casos, a elevada carga piezomtrica associada a determinadas estrati-

grafias acarreta surgncias dgua na superfcie do terreno. Esse padro

de fluxo particularmente importante para os estudos de estabilidade,

pois geram tenses efetivas muito baixas no p do talude e ainda podem

promover eroso interna.

As camadas consideradas no aquferos representam barreiras

para a movimentao da gua. Assim, possvel encontrar situaes em

que um determinado perfil apresenta mais de um nvel dgua, denomi-

nado nvel dgua suspenso (Fig. 2.41).

Como a velocidade de fluxo no aqufero lenta e laminar, consi-

dera-se vlida a adoo da lei de Darcy, a qual estabelece que o fluxo (q)

ocorre pela ao de gradientes hidrulicos (i = Dh/L), isto ,

Fig. 2.40 Regime regional de fluxo


3concepo de projetode estabilidadeO objetivo da anlise de estabilidade avaliar a possibilidade

de ocorrncia de escorregamento de massa de solo presente em

talude natural ou construdo. Em geral, as anlises so realizadas

pela comparao das tenses cisalhantes mobilizadas com a resis-

tncia ao cisalhamento. Com isso, define-se um fator de segurana

dado por:

(3.1)

Esse tipo de abordagem denominado determinstico, pois estabe-

lece um determinado valor para o FS. O FSadm de um projeto corresponde

a um valor mnimo a ser atingido e varia em funo do tipo de obra

e vida til. A definio do valor admissvel para o fator de segurana

(FSadm) depende, entre outros fatores, das consequncias de uma eventual

ruptura em termos de perdas humanas e/ou econmicas.

A norma NBR 11682 (ABNT, 2008) estabelece que, dependendo dos

riscos envolvidos, deve-se inicialmente enquadrar o projeto em uma

das classificaes de Nvel de Segurana, definidas a partir dos riscos de

perdas humanas (Quadro 3.1) e perdas materiais (Quadro 3.2). A qualifica-

o de risco deve considerar no somente as condies atuais do talude,

como tambm o uso futuro da rea, preservando-se o talude contra

cortes na base, desmatamento, sobrecargas e infiltrao excessiva.

Quadro 3.1 Nvel de segurana desejado contra perdas humanas

Nvel de segurana Critrios

Alto reas com intensa movimentao e permanncia de pessoas, como edificaes pblicas, residen-ciais ou industriais, estdios, praas e demais locais urbanos, ou no, com possibilidade de elevada concentrao de pessoasFerrovias e rodovias de trfego intenso

Mdio reas e edificaes com movimentao e permanncia restrita de pessoasFerrovias e rodovias de trfego moderado

Baixo reas e edificaes com movimentao e permanncia eventual de pessoasFerrovias e rodovias de trfego reduzido



qualidade dos ensaios ou mesmo da representatividade das amostras,

isto , se elas efetivamente traduzem o comportamento de todo talude.

Nesses casos, recomenda-se reduzir os parmetros de resistncia por

fatores de segurana, que podem variar entre 1 e 1,5, dependendo da

importncia da obra e do grau de confiana nos ensaios. Por exemplo:

(3.9)

(3.10)

em que fd e cd so, respectivamente, o ngulo de atrito e o intercepto de coeso para projeto; fp e cp so, respectivamente, o ngulo de atrito e o intercepto de coeso de pico; e FSf e FSc so os fatores de reduo para

atrito e coeso, respectivamente.

A Tab. 3.2 apresenta uma

indicao de valores tpicos dos

parmetros geotcnicos de solos

da regio do Rio de Janeiro.

Ruptura progressivaNa abordagem por equilbrio

limite, o FS admitido constante

em toda a superfcie; entretanto,

raro um talude romper de

modo abrupto. Adicionalmente,

Tab. 3.2 Valores tpicos de parmetros geotcnicos

Tipo de solo g (kN/m3) f (graus) c (kPa)

Aterro compactado (silte arenoargiloso)

19 - 21 32 -42 0 - 20

Solo residual maduro Colvio in situ

17 - 21 15 - 20

30 - 38 27 - 3 5

5 - 20 0 - 15

Areia densa Areia fofa

18 - 21 17 - 19

35 - 40 30 - 35

0 0

Pedregulho uniforme Pedregulho arenoso

18 - 21 19 - 21

40 - 47 35 - 42

0 0

Quadro 3.5 Parmetros e ensaios em solo no saturadoSituao crtica

Tipo de anlise Parmetros/envoltria de resistncia Ensaios de laboratrio

Final de construo (no drenado em solos compacta-dos)

Tenses efetivas

Triaxial CD, Cisalhamento direto, Triaxial CU com medida de poropresso, para determinao de c, fTriaxial PN (ensaio mantendo-se k = sh/sv = constante), para a obteno do parmetro de poropresso ru

Tenses totais Triaxial CU em amostras no saturadas

Longo prazo (drenado)

Tenses efetivas Ensaio com suco controlada


4mtodos de estabilidade

Os mtodos apresentados a seguir baseiam-se na abordagem por

Equilbrio Limite e foram desenvolvidos para anlises em 2D.

Todos os mtodos pressupem estado plano de deformao e sua

validade est associada forma da da superfcie de ruptura.

Independentemente do mecanismo de ruptura, em solos coesivos

comum uma formao de trincas de trao na superfcie do terreno

antes do escorregamento. Quando isso ocorre, a superfcie potencial

de ruptura na regio da trinca deixa de contribuir para a estabilidade

global, como mostra a Fig. 4.1. Adicionalmente, eventuais sobrecargas

contidas no trecho no afetam mais os momentos instabilizantes. A

trinca pode ser preenchida por gua

e, com isso, gerar esforos adicio-

nais (h projetistas que consideram

a fatia limitada pela trinca para fins

de clculo dos momentos instabili-

zantes, como forma de compensar a

possibilidade de esta ser preenchida

por gua). Portanto, aconselhvel

estimar a profundidade da trinca.

4.1 Talude vertical solos coesivos

4.1.1 Trinca de traoCom base na teoria de equil-

brio limite, Rankine verificou

que, em macios com superfcie

plana, a menor tenso horizon-

tal suportada pelo solo poderia

ser definida pelo crculo de

ruptura e envoltria de Mohr-

Coulomb (Fig. 4.2).

Fig. 4.1 Trinca de trao

Fig. 4.2 Circulo de Mohr para solo coesivo


4 | Mtodos de estabilidade 119

Fig. 4.22 baco de estabilidade: linha fretica com linha fretica profunda


BAnexo

Resumo dos mtodos de anlise deestabilidade de taludes em solo (GeoRio, 1999)

Mt

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