Métodos analíticos para avaliar resistência ao cisalhamento de estacas em taludes, Esquemas de Cálculo

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Universidade Federal do Rio de Janeiro

MÉTODOS ANALÍTICOS PARA AVALIAR A

CONTRIBUÍÇÃO DE ESTACAS PARA O FATOR DE

SEGURANÇA DE TALUDES

Vanessa Coutinho Silva

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MÉTODOS ANALÍTICOS PARA AVALIAR A CONTRIBUÍÇÃO DE ESTACAS

PARA O FATOR DE SEGURANÇA DE TALUDES

Vanessa Coutinho Silva

Rio de Janeiro Abril de 2013

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Civil.

Orientador: Prof. Leonardo De Bona Becker, D. Sc.

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Silva, Vanessa Coutinho Métodos Analíticos para Avaliar a Contribuição de Estacas para o Fator de Segurança de Taludes/ Vanessa Coutinho Silva. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica,

x, 73 p.: il.; 29,7 cm. Orientador: Leonardo De Bona Becker Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Civil, 2013. Referências Bibliográficas: p. 71 - 72.

1. Estabilidade de Taludes. 2. Estacas em estabilidade de Taludes. 3. Fator de Segurança I. Becker, Leonardo de Bona. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Civil. III. Titulo.

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DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho aos meus pais, Ana Maria e Valmir.

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durante a elaboração deste trabalho. Obrigada por despertar em mim o interesse e curiosidade pelo tema, por sua disponibilidade, dedicação, serenidade e paciência.

Ao professor Gustavo Guimarães, pelo conhecimento e experiência compartilhados, pelo interesse e disponibilidade em ajudar e pelos conselhos dados.

Ao professor Fernando Danziger, pelos conhecimentos e experiência transmitidos ao longo do curso e toda ajuda disponibilizada para a realização deste trabalho.

Enfim, a todos que contribuíram de alguma forma para a minha graduação e elaboração deste trabalho.

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Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Civil.

MÉTODOS ANALÍTICOS PARA AVALIAR A CONTRIBUÍÇÃO DE ESTACAS

PARA O FATOR DE SEGURANÇA DE TALUDES

Vanessa Coutinho Silva Abril/

Orientador: Leonardo de Bona Becker

Curso: Engenharia Civil

Uma das grandes questões da engenharia geotécnica é a estabilidade de taludes e as diferentes técnicas existentes para assegurá-la. A importância de seu estudo deve-se ao fato de que a ruptura de um talude pode vir a ocasionar a destruição não apenas de construções, mas também perda de vidas humanas. Muitos métodos têm sido estudados e utilizados visando solucionar ou corrigir problemas de instabilidade.

O que vem sendo utilizada já há algum tempo é a instalação de estacas atravessando a superfície de ruptura contribuindo assim para a estabilidade do talude. Entretanto, muitas vezes esta contribuição é desprezada, devido à dificuldade em quantificá-la.

No presente trabalho é apresentada uma revisão da literatura sobre métodos analíticos para avaliar a contribuição da resistência ao cisalhamento de estacas atravessadas por superfícies potenciais de ruptura no fator de segurança de taludes. Em seguida os métodos apresentados são aplicados a dois casos de estabilização de encostas às margens de rodovias federais no estado do Rio de Janeiro.

Palavras-chave: Estabilidade de Taludes, Estacas, Fator de segurança, Métodos Analíticos.

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• 1. Introdução Índice
  • 1.1 Objetivo
  • 1.2 Metodologia
  • 1.3 Estrutura do Trabalho
• 2. Estabilidade de Taludes
  • 2.1 Causas de Instabilidade de Taludes
  • 2.2 Análises de Estabilidade de Taludes
  • 2.3 Tipos de Análises de Estabilidade de Taludes
  • 2.4 Métodos de Estabilidade de Taludes
  • 2.5 Método das Fatias
  • 2.5.1 Método de Bishop (1955)
  • 2.5.2 Método de Spencer (1967)
• 3. Métodos de Análise da Resistência ao Cisalhamento de Estacas
  • 3.1 Brinch Hansen & Lundgren (1960).....................................................
  • 3.2 NAVFAC (1986)................................................................................
  • 3.3 Reese et al (1992)..............................................................................
• 4. Estudos de Casos
  • 4.1 Caso
  • 4.2 Caso
  • 4.3 Aplicação da metodologia
    • 4.3.1 Estudo de Caso
    • 4.3.2 Estudo de Caso
• 5. Análise dos Resultados
  • 5.1 Estudo de Caso
  • 5.2 Estudo de Caso
• 6. Conclusões
• 7. Bibliografia
• 8. Anexo

1.Introdução

Uma das grandes questões da engenharia geotécnica é a estabilidade de um talude e as diferentes técnicas existentes para assegurá-la. A importância de seu estudo deve-se ao fato de que a ruptura de um talude pode vir a ocasionar a destruição não apenas de construções, mas também perda de vidas humanas. Muitos métodos têm sido estudados e utilizados visando solucionar ou corrigir problemas de instabilidade. Porém, cada situação exige uma avaliação específica de suas características e possíveis causas de instabilidade para que seja possível a busca e definição da melhor ação corretiva.

Após realização de um estudo da estabilidade de um talude e das possíveis causas de instabilidade, torna-se necessária a adoção de medidas preventivas ou corretivas que sejam mais adequadas, respeitando fatores técnicos e econômicos. Algumas dessas medidas podem ser: alteração na geometria; mudança do ângulo de inclinação ou implantação de bermas; criação de um sistema de drenagem adequado; construção de estruturas de contenção que introduzem forças resistentes (muros de arrimo, tirantes, sapatas, estacas, etc.). O que vem sendo utilizada já há algum tempo é a instalação de estacas escavadas atravessando a superfície de ruptura contribuindo assim para a estabilidade do talude. Esta alternativa tem se mostrado bastante eficiente, já que estas podem ser instaladas com facilidade sem que haja perturbação no equilíbrio do talude.

Entretanto, muitas vezes esta contribuição é desprezada, tendo em vista a dificuldade para quantificá-la.

1.1 Objetivo

O objetivo deste trabalho é analisar a estabilidade de taludes avaliando o efeito que a resistência ao cisalhamento da estaca possui sobre seus fatores de segurança.

1.2 Metodologia

Inicialmente foi feito um levantamento dos métodos de cálculo disponíveis através de revisão bibliográfica.

A seguir, foram realizadas análises de estabilidade utilizando o programa SLOPE/W para obtenção do fator de segurança de dois casos práticos de encostas

2.Estabilidade de Taludes

Um talude, como pode ser visto na Figura 1, representa uma superfície inclinada que limita um maciço de terra, de rocha ou ambos. Ele pode ser de três tipos diferentes: natural, de escavação e de aterro.

Figura 1 - Talude. A seguir serão apresentadas algumas das possíveis causas de instabilidade, tipos de análise e medidas corretivas para uma melhor compreensão do assunto.

2.1 Causas de Instabilidade de Taludes

A ruptura de um talude ocorre quando os termos solicitantes excedem a resistência. Neste item serão apresentadas as principais causas de uma ruptura. São elas:

i. Oscilações térmicas

As oscilações térmicas ocasionam mudanças de volume no material as quais podem gerar tensões cisalhantes no talude. Porém, as variações ocorridas no interior do solo, devido a grandes variações de temperatura na atmosfera, são mais tênues. Sendo assim, apesar de ser um fator contribuinte para um escorregamento, as variações térmicas não chegam a ser consideradas numa análise de estabilidade de taludes.

CORPO DO TALUDE

CRISTA

PÉ TERRENO DE FUNDAÇÃO

TALUDE

ALTURA

ii. Redução da resistência por intemperismo A ação do intemperismo provoca uma redução gradual dos parâmetros de resistência do talude, contribuindo para sua instabilidade.

iii. Alterações na geometria do talude

A alteração na geometria do talude é uma das causas mais comuns em instabilidade. Essa alteração pode ser a retirada de uma massa no topo do talude ou uma redução da massa no pé, como pode ser visto na Figura 2. No qual a retirada da massa no topo do talude contribui para o momento estabilizante e a redução da massa no pé, contribui para o momento instabilizante.

Figura 2 - Alteração na geometria do talude. iv. Vibração Em terrenos submetidos a algum tipo de vibração, seja ela provocada por terremotos, explosões, cravação de estacas ou por movimento de veículos, são induzidas ações dinâmicas internas. Essas ações podem causar um aumento do nível de tensões. v. Aumento da poro-pressão O aumento da poro-pressão, baseado no princípio das tensões efetivas de Terzaghi, pode vir a ocasionar a ruptura pois provoca uma redução da tensão efetiva, ou seja, reduz a resistência ao cisalhamento do terreno. vi. Elevação do nível d’água em descontinuidades/trincas O aumento do nível d’água gera um momento instabilizante contribuindo para a ruptura do talude.

R SUPERFICIE POTENCIAL DE RUPTURA

Mestab.

Minstab.

xi. Desmatamento

A vegetação possui um efeito positivo na estabilidade de taludes, porém na prática este é desprezado, pois a forma de quantificá-lo nos cálculos de estabilidade não é conhecida. Sabe-se que apesar da possibilidade do peso da vegetação contribuir para deslizamentos, há alguns outros fatores contribuintes para evitá-lo. A copa das árvores retém parte da água proveniente das chuvas, reduzindo o volume de água que infiltra e também os efeitos erosivos sobre o talude. As raízes além de penetrarem nas fissuras de rochas atuando a favor da segurança, também coletam parte da água infiltrada. Portanto, o desmatamento pode vir a acarretar em um aumento da infiltração e da erosão do talude, elimina o efeito estabilizante das raízes, contribuindo assim para sua ruptura.

2.2 Análises de Estabilidade de Taludes

Apesar da complexidade para se realizar uma análise de estabilidade de taludes, não se pode descartar a importância de uma avaliação quantitativa através da obtenção do fator de segurança. O fator de segurança para o talude é calculado a partir de teorias e metodologias de dimensionamento e seu valor deverá estar de acordo com o determinado em projeto. Este valor servirá de base para que se adquira uma melhor compreensão do comportamento do talude e sua sensibilidade em relação a mudanças de determinados parâmetros críticos. O objetivo da análise de estabilidade de um talude é avaliar o nível de segurança do talude em relação à ruptura, avaliando a necessidade de se adotar medidas de estabilização ou para reavaliar alguns parâmetros de projeto, permitindo assim a execução de obras mais seguras e econômicas.

2.3 Tipos de Análises de Estabilidade de Taludes

Existem dois tipos de estudo para análise de estabilidade de taludes, análise de tensão x deformação e método do equilíbrio limite.

O método de análise de tensão x deformação é realizado com a utilização de programas computacionais e baseado em análises de tensão x deformação. Neste método as tensões resistentes são comparadas com aquelas calculadas em todos os pontos do meio. O método de análise de tensões está além do escopo deste trabalho e não será abordado.

No método do equilíbrio limite é realizado um estudo das condições de equilíbrio isolando-se massas arbitrárias do solo que pode ser delimitada por uma superfície potencial de ruptura circular, plana, em cunha ou uma geometria qualquer. Assume-se que a ruptura ocorre simultaneamente em todos os pontos ao longo da superfície potencial de ruptura.

2.4 Métodos de Estabilidade de Taludes

Entre os diferentes tipos de métodos existentes para análise de estabilidade de taludes, os mais utilizados atualmente são os baseados no método do equilíbrio limite devido à experiência acumulada ao longo dos anos e sua facilidade de aplicação. Tal método considera as hipóteses de que a massa de solo se comporta como um material rígido- plástico e que a mobilização de sua resistência se dará de maneira uniforme ao longo da superfície potencial de ruptura, ou seja, sua ruptura ocorrerá apenas quando todos os elementos, ao longo da superfície potencial de ruptura, alcançarem a resistência última.

Com a consideração de que o solo se desloca como um corpo rígido ao longo de uma superfície de ruptura assume-se, geralmente, que se trata de um problema de estado plano de deformações. São executadas análises bidimensionais que supõem a existência de uma superfície idealizada de comprimento infinito. Assume-se que todas as seções transversais possuem geometria, poro-pressão e carregamentos idênticos e como consequência não existirão tensões cisalhantes nos planos entre elas. Nestas condições, a análise bidimensional é acurada. Na prática, devido às dimensões finitas das superfícies potenciais de ruptura e os efeitos de borda (contribuição da resistência do solo nas fronteiras laterais da superfície potencial de ruptura), as análises bidimensionais são geralmente a favor da segurança.

Os métodos baseados no equilíbrio limite também admitem que as forças que tendem a induzir a ruptura são exatamente balanceadas pelos esforços resistentes. Assim

serão consideradas as expressões do fator de segurança dadas em termos de tensão efetiva.

Em todos os métodos de equilíbrio limite, adota-se uma superfície potencial de ruptura para o cálculo do fator de segurança, o qual é obtido utilizando uma ou mais, das seguintes equações de equilíbrio estático.

orças orizontais ( ) orças erticais ( ) omentos ( ) Essas equações são aplicadas à massa de solo potencialmente instável, ou seja, a massa de solo delimitada pela superfície do talude e a superfície potencial de ruptura. Este cálculo é repetido até que seja encontrada a superfície potencial que possuir o fator de segurança de menor valor, chamada de superfície crítica.

Em alguns métodos, as tensões normais e as tensões de cisalhamento podem ser encontradas diretamente pelas equações de equilíbrio estático e utilizadas nas equações (4) ou (5) para se obter o fator de segurança, mas a maioria deles requer procedimentos mais complexos.

Para um determinado método, a forma da superfície potencial de ruptura é dependente da geometria do problema e da estratigrafia, das características do material envolvido (especialmente anisotropia) (USACE, 2003). As superfícies podem ser circulares, em forma de cunha ou não circulares, conforme a Figura 3.

As superfícies circulares são convenientes por simplificar os cálculos e também por serem representativas em taludes homogêneos ou assentes em fundação com camadas de solo espessas. As superfícies em forma de cunha são formadas por três linhas retas que definem três blocos: cunha ativa, bloco central e cunha passiva. Este tipo de superfície é usado quando o talude apresenta segmentos lineares longos de material mais fraco. As superfícies não circulares são indicadas para materiais anisotrópicos e são definidas por várias linhas, que possuem comprimentos e ângulos de inclinação diferentes (USACE, 2003).

Baseado em escorregamentos ocorridos, a experiência indica que os escorregamentos em taludes que não apresentam descontinuidades marcantes e tem características homogêneas, aparentam possuir a forma de uma concha. Sendo assim, diversos métodos desenvolvidos pressupõem que a superfície potencial de ruptura possui uma forma circular. Essa pressuposição permite a avaliação da estabilidade do talude através do equilíbrio de momentos em relação ao centro da superfície de ruptura, onde o braço de alavanca das forças de cisalhamento se manterá constante e o braço das forças normais à superfície de ruptura será nulo.

Figura 3 - Formato das superfícies de ruptura. (Fonte: USACE, 2003) As análises de estabilidade podem ser feitas considerando-se a região de solo delimitada pela superfície de ruptura na sua totalidade, dividindo-a em cunhas ou dividindo-a em fatias. A maioria dos métodos de equilíbrio limite divide a massa de solo potencialmente instável em diversas fatias verticais e aplica as equações de equilíbrio para cada fatia isoladamente. Esse processo caracteriza o chamado Método das Fatias.