Estabilidade de Taludes e Estruturas de contenção

Estabilidade de Taludes e Estruturas de Contenção - 1/80

ESTABILIDADE DE TALUDES E ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO

Prof. Eduardo Suassuna Nóbrega, M.Sc.

AULA 6 – Estabilidade de Taludes


1 – DEFINIÇÕES BÁSICAS

Talude: superfície que forma um ângulo com o plano horizontal de referência, definindo fronteira entre o interior do solo e a atmosfera.

Ruptura: ocorre quando a tensão cisalhante atuante no maciço émaior do que a resistência ao cisalhamento do solo.

Deslizamento: deslocamento de massa de solo em relação a uma superfície (superfície de ruptura). Atingida a ruptura, o solo pode se deslocar por gravidade.


Situação 1: colapso iminente.Crista

ProvávelSuperfíciede Ruptura

Pé doTalude

Talude

τ = c’ + σ’.tg(φ’)(tensões resistentes)


Situação 2: colapso consumado.Escarpa

Superfíciede Ruptura

Talude antes doDeslizamento


1.1 – Tipos de Ruptura:

Superficial: quando a superfície de deslizamento fica contida no talude, passando acima do pé do talude.


Talude


1.1 – Tipos de Ruptura:

Profunda: quando a superfície de deslizamento não fica contida apenas no talude, mas também atinge o solo abaixo do pé do talude.


Talude


1.2 – Formato das Superfícies de Ruptura:

⇒ Existem diversas formas: Reta, Circular, Logarítmica ou com uma forma qualquer.

⇒ Por simplificação matemática, a maioria dos métodos de análise de estabilidade adotam superfície circular ou reta.


Segundo Alexandre Collin (1841):

⇒ Em Solos Argilosos, a superfície é profunda e circular.


Talude


Segundo Alexandre Collin (1841):

⇒ Em Solos Arenosos, a superfície é reta.


Talude


2 – PRINCIPAIS CAUSAS DE DESLIZAMENTOS

Mudanças no carregamento externo:

(a) Escavações no pé do talude;(b) Construções no topo do talude;(c) Elevação do lençol freático;(d) Carregamento devido ao preenchimento de fendas por água

(empuxo).

Redução da resistência ao cisalhamento do solo:

(a) Por saturação do maciço (perda da sucção);(b) Variação cíclica da poropressão;(c) Intemperismo.


2.1 – Tensões Atuantes na Superfície de Deslizamento:

τ

σ

φ’

c’β

σ1

τ1,A

τ1,R

σ3

τ3,A

τ3,R

σ2

τA= τR

Tensões Geostáticas(tensões atuantes)


β

Talude



2.1 – Tensões Atuantes na Superfície de Deslizamento:

Ponto 1: o talude é estável.Ponto 2: equilíbrio limite!!!Ponto 3: o talude é instável, não satisfaz.

Tensões Geostáticas(tensões atuantes)

τ

σ

φ’

c’β

σ1

τ1,A

τ1,R

σ3

τ3,A

τ3,R

σ2

τA= τR



Efeito do Intemperismo na Resistência ao Cisalhamento


2.2 – Mudanças no carregamento externo:

2.2.1 – Escavações no pé do talude:

Fase 1: sem o Corte

Fase 2: pensando no Corte



Fase 3: depois do Corte

Fase 4: saudades do que foi cortado...




2.2.2 – Construções no topo do talude:



2.2.3 – Elevação do Lençol Freático:

⇒ Aumenta as tensões atuantes no maciço terroso!!!

Pode contribui para diminuição da resistência ao cisalhamento de duas formas:

(1) Pode acarretar a perda de sucção;

(2) Aumenta a poropressão e, conseqüentemente, diminui a tensão geostática efetiva.


2.2.4 – Carregamento devido ao preenchimento de fendas por água (empuxo):

⇒ Para solos impermeável, heterogêneos e com veios de material francamente permeável, Lacerda (1966) recomenda o uso de Drenos Horizontais Profundos (DHP);

⇒ Solos residuais derivados de rochas granito-gnáissicas com veios de pegmatito são bastante permeáveis após sua alteração.





Lacerda (1966) recomenda o uso de DHP para mais dois casos:

⇒ Solos de permeabilidade de média a alta;

⇒ Solos impermeáveis, sobrejacentes a solos mais permeáveis ou mesmo rochas muito fissuradas e que contenham água sob pressão.






O número, comprimento e espaçamento dos DHP’s influenciam bastante na rede de fluxo e, conseqüentemente, na estabilidade!


2.3 – Redução da resistência ao cisalhamento do solo:

2.3.1 – Saturação do Maciço:

Além de aumentar o peso próprio do solo e, conseqüentemente, as tensões atuantes no maciço, a saturação pode:

⇒ Ocasionar a perda SUCÇÃO que age na zona capilar!


Zonas de Ocorrência de Águas Subterrâneas



Equação de Resistência ao Cisalhamento dos Solos:

''.' φστ tgc +=

τ é a resistência ao cisalhamento dos solos

'c é o intercepto de coesão do solo

u−

onde:

= σσ ' é a tensão geostática efetiva atuante

σ é a tensão geostática total atuante

u'

é a poropressão

φ é o ângulo de atrito interno do solo



⇒ Se a SUCÇÃO é uma tensão de tração, é negativa;⇒ Se a SUCÇÃO age nos poros do solo, é poropressão;

LOGO: a SUCÇÃO é uma poropressão negativa (-u).

⇒ Como σ* é maior quando há sucção, τ aumenta...⇒ Quanto maior τ, maior a estabilidade do talude!!!

( )

'.*''*'

'

φστσσσσ

σσ

tgcu

u

+=→=→+=

→−−=


2.3.2 – Variação cíclica da poropressão:

⇒ Pode causar a ruptura em encostas com valores de poropressão inferiores às que levariam o maciço ao colapso;

⇒ A variação cíclica do nível piezométrico pode levar o solo a uma espécie de “fadiga”, provocando deformações no maciço;

⇒ O acúmulo de deformações pode causar a quebra da ligação das partículas de solo, levando a perda da coesão, ou seja:

''.''.' φστφστ tgtgc =→+=0

(diminuiçãoda resistência)


3 – FASES DO ESTUDO DE ESTABILIDADE DE TALUDES

(1) Definição da Topografia do Talude Estudado

(2) Prospecções Geotécnicas

(3) Coleta de Amostras para Análise Geotécnica

(4) Ensaios de Laboratório

(5) Análise de Estabilidade


3.1 – Definição da Topografia do Talude Estudado:


3.1 – Definição da Topografia do Talude Estudado:


Exemplo de Modelo Digital de Elevação (Rodriguez, 2005)


3.2 – Prospecções Geotécnicas:

Usadas para:

(1) Descrever e classificar os elementos geológicos (cor, textura, processo formador);

(2) Determinar a estratigrafia e distribuição geológico-geotécnica das camadas;

(3) Estimar a espessura das camadas de solo e/ou rochas;

(4) Saber resistência da camada investigada;

(5) Determinar a posição do nível d’água.


(Freitas, 2004)


3.3 – Coleta de Amostras para Caracterização Geotécnica:

As amostra podem ser de quatro tipos:

Individuais: para discriminar os diferentes tipos de solo encontrados ao longo da profundidade (fundações, encostas);

Compostas: para exame representativo de todo o material de um perfil (mesmo que heterogêneo), desde que tal diferença não seja acentuada (terraplenagem);

Deformadas: retiradas do solo sem nenhum cuidado especial (ensaios de caracterização);

Indeformadas: retiradas de forma que mantenham as características de quando estavam intactas no maciço (umidade, resistência ao cisalhamento).



Para os estudo de encostas, devem ser:

Individuais, para o estudo de cada estrato de solo seja feito de forma separada;

Para caracterização do solo, devem ser deformadas;

Para a determinação da resistência ao cisalhamento dos solos, devem ser indeformadas, que permite o estudo do maciço em suas condições naturais.



⇒ As amostras devem ser coletadas de acordo com NBR 9604 – Abertura de poço e trincheira em solo, com retirada de amostras deformadas e indeformadas.



⇒ Esta técnica é limitada ao nível d’água.


(Suzuki, 2004)


(Suzuki, 2004)


(Suzuki, 2004)


(Suzuki, 2004)


3.4 – Ensaios de Laboratório:

Ensaios a serem realizados:

Ensaios de Caracterização:

⇒ Granulometria por peneiramento e sedimentação;⇒ Limite de plasticidade;⇒ Limite de liquidez.

Determinação de resistência ao cisalhamento:

⇒ Cisalhamento direto;⇒ Ensaio triaxial.


Diferenças nas Curvas Granulométricas (Suzuki, 2004)


3.4.1 – Cisalhamento direto:

Objetivo: Determinar parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo (coesão e ângulo de atrito).




3.4.1 – Cisalhamento direto:

Resultados:

⇒ Curvas Tensões Vs deformações;⇒ Curvas Tensões Normais Vs Tensões Cisalhantes.


(Freitas, 2004)


(Freitas, 2004)


3.4.2 – Ensaio Triaxial:

Objetivo: Determinar parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo (coesão e ângulo de atrito).


Exemplo de Câmara Triaxial


3.4.2 – Ensaio Triaxial:

O ensaio é dividido em duas fases:

(1) Fase de consolidação;(2) Fase de corte.

Existem, basicamente, três tipos de ensaios triaxiais:

(1) Não-consolidado não-drenado (UU);(2) Consolidado não-drenado (CU);(3) Consolidado drenado (CD).








3.5 – Análise de Estabilidade:

Existem vários métodos:

(1) Método do Talude Infinito;

(2) Método de Culmann (1866);

(3) Método de Taylor do Círculo de Atrito (1967);

(4) Método de Fellenius (1938);

(5) Método de Bishop (1955);

(6) Método de Morgenstern e Price (1965).


3.5 – Análise de Estabilidade:

⇒ De um modo geral, não se deve trabalhar na condição de equilíbrio limite.

⇒ Para evitar esta condição, usa-se fatores de segurança.

∑∑=

A

R

MM

FS

onde:

FS = 1,0, tem-se o EQUILÍBRIO LIMITE;FS ≥ 1,5, considera-se o talude ESTÁVEL;FS < 1,5, considera-se o talude INSTÁVEL.


3.5.1 – Método de Culmann:

⇒ Superfície de ruptura plana;

⇒ Superfície de ruptura passa pelo pé do talude ou acima dele;

⇒ Determinação das forças que agem no talude por meio das condições de equilíbrio;

⇒ O fator de segurança é determinado por tentativas.


3.5.1 – Método de Culmann:hABC


θ α

P

θ

c’ , γ’ , φ ’

A

CB

h

( )θαα

−= sensen

hhABC .

θsenhAC =


Estado de Tensões na Cunha de Solo:

P

θ

T

N θ

( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=∆= θα

αθγγ sen

senh

senhP ABC ..'..2

1'.

( )θα

θαγsensen

senhP.

.'..5,0 2 −=

θθ

senPTPN.

cos.==



Estado de Tensões na Cunha de Solo:

( )( )

αθθαγ

θ

θθα

θαγ

θ

θσsen

senh

senh

sensensenh

senhP

ACN

Acos..'..5,0cos.

..'..5,0

cos.2

−=

−

===

( )( )

αθθαγ

θ

θθα

θαγ

θ

θτsen

sensenh

senh

sensensen

senh

senh

senPACT

A..'..5,0.

..'..5,0

.2

−=

−

===

( )

( ) θα

θαγ

φθα

θαγ

τφσ

ττ

sensen

senh

tgsen

senhctgcFS

A

A

A

R

..'..5,0

'.cos..'..5,0''.''

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

+=

+==


Para solos com c’ = 0 (areia pura):

( )

( ) θφ

θφθ

θα

θαγ

φθα

θαγ

tgtg

sentg

sensen

senh

tgsen

senhFS ''.cos

..'..5,0

'.cos..'..5,00==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

+=

Para solos com φ’ = 0 (argila pura):

( ) ( )( ) ( ) θ

αθαγθ

αθαγ

θα

θαγ

sensen

senh

c

sensen

senh

tgsen

senhcFS

o

..'..5,0

'

..'..5,0

0.cos..'..5,0'

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

=

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

+=

0


3.5.2 – Método de Fellenius:

⇒ Considera-se uma superfície de ruptura circular dividida em um número arbitrário de fatias;

⇒ Considera-se que não há interação entre as várias fatias. Admite-se que as resultantes das forças laterais em cada fatia são colineares e de igual magnitude, o que permite eliminar o efeito destas forças.


3.5.2 – Método de Fellenius:


O

R

α

α

FatiaGenérica

- +c’ , γ’ , φ ’


Estado de Tensões na Fatia Genérica:

α

P

N

T

b T

N αN = P.cosαT = P.senα

P

honde:

P – peso próprio da fatia (γ’.b.h);N e T – forças atuantes na superfície de ruptura;U – força da água;u – poropressão.U = u.L


Momento Resistente: RLM Rsistente ..Re τ=

'.'' φστ tgc AR += uLN

A −='σ

( ) '..''..'.''. φσφστ tgLLcLtgcL AAR +=+=

( ) '..'.'..'.. φφτ tgLuNLctgLuLNLcLR −+=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −+=

onde:

αα

sec.cos.

bLPN

==

( )[ ]RtgLuPLcM sistente .'..cos.'.Re φα −+=logo:


RsenPRTM Atuante ... α==Momento Atuante:

Cálculo do Fator de Segurança:

( )( )∑

∑=Fatia Cada em Atuantes Forças das MomentoFatia Cada em sResistente Forças das Momento

FS

( )[ ]{ }( )[ ]∑

∑ −+=

RsenPRtgLuPLc

FSii

iiiiiii

...'..cos..'

αφα

( )[ ]( )∑

∑ −+=

ii

iiiiiii

senPtgLuPLc

FSα

φα.

'..cos..'


Pesquisa da Superfície Crítica:

Def: Arco de circunferência associado ao FS mínimo.

(1) Define-se malha de centros de círculos a pesquisar;(2) Define-se uma série de raios para cada centro;(3) O círculo que apresentar o menor FS é o círculo crítico.

Exemplo:



Superfície Tangenciando a Camada Rochosa:


Planilha para Cálculo do Fator de Segurança:


Superfície Passando pelo Pé do Talude:


Planilha para Cálculo do Fator de Segurança:


Obrigado pela Atenção!Eduardo Suassuna Nó[email protected](63) 3219-8102 (63) 8407-6850

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