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UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS Curso de Graduação em Engenharia Civil MÁRCIO ADRIANO PRANTE PROJETO DE ESTRUTURA DE CONTENÇÃO E ANÁLISE DE TALUDE Ijuí/RS 2015

PROJETO DE ESTRUTURA DE CONTENÇÃO E ANÁLISE DE TALUDE

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Trabalho realizado como requisito parcial para aprovação da disciplina de Solos II.Este trabalho tem como objetivo familiarizar-se com os conceitos básicos do dimensionamento e análise de taludes.

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UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO

ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS

Curso de Graduação em Engenharia Civil

MÁRCIO ADRIANO PRANTE

PROJETO DE ESTRUTURA DE CONTENÇÃO E ANÁLISE DE

TALUDE

Ijuí/RS

2015

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Primeira análise do talude com Macstars .................................................................. 9

Figura 2 – Análise final do talude com Macstars ..................................................................... 10

Figura 3 – Cálculo do FS pelo método de Fellenius................................................................. 11

Figura 4 – Cálculo do FS pelo método de Taylor..................................................................... 12

Figura 5 – Leituras no ábaco de Taylor .................................................................................... 12

Figura 6 – Cálculo do FS pelo método de Bishop .................................................................... 13

Figura 7 – Dimensionamento do muro de gravidade ............................................................... 14

Figura 8 – Dimensionamento do muro de flexão ..................................................................... 15

Figura 9 – Dimensionamento da estaca prancha ...................................................................... 16

Figura 10 – Muro de gravidade ................................................................................................ 17

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Comparação dos fatores de segurança obtidos ....................................................... 13

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 7

1 ANÁLISE DO TALUDE .............................................................................................. 9

1.1 FATOR DE SEGURANÇA POR FELLENIUS .......................................................... 10

1.2 FATOR DE SEGURANÇA POR TAYLOR ............................................................... 11

1.3 FATOR DE SEGURANÇA POR BISHOP ................................................................. 12

1.4 COMPARAÇÃO DOS MÉTODOS ............................................................................. 13

2 DIMENSIONAMENTO DA ESTRUTURA DE CONTENÇÃO ........................... 14

2.1 MURO DE ARRIMO DE GRAVIDADE .................................................................... 14

2.2 MURO DE FLEXÃO ................................................................................................... 15

2.3 ESTACA PRANCHA ................................................................................................... 16

2.4 SOLUÇÃO ADOTADA ............................................................................................... 17

CONCLUSÃO ......................................................................................................................... 18

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INTRODUÇÃO

“Talude é um nome genérico dado a superfícies de solo ou rocha que formem um

ângulo com o plano horizontal de referência” (ZANARDO, 2014). Sendo que, quanto à

origem, podem ser classificados em:

• Taludes naturais: como no caso de encostas;

• Taludes artificiais: como os taludes de cortes e aterros.

A análise da estabilidade de taludes é um tema de grande importância, uma vez que

as consequências causadas por sua ruptura são por muitas vezes inestimáveis.

Para Oliveira e Almeida [201?], “O principal problema que envolve essas estruturas

geotécnicas refere-se à análise de sua estabilidade, relacionada a movimentações de massas de

solo”. A resolução desse problema envolve a obtenção de um fator de segurança (FS),

incógnita que representa o quão distante da ruptura encontra-se a massa de solo1.

Entre os fatores que influenciam na estabilidade de taludes estão:

• A geometria do talude e dos maciços adjacentes;

• As propriedades geomecânicas dos materiais;

• Presença de água (poropressão e peso do solo saturado);

• Diaclasamento e falhas geológicas;

• Carregamentos externos.

A estabilidade de taludes pode ser aumentada utilizando-se de artifícios, como por

exemplo (WAYHS, 2015):

• Diminuição da inclinação;

• Uso de drenos;

• Revestimento do talude (com concreto projetado por exemplo);

• Construção de estruturas de contenção.

O presente trabalho tem por objetivo fazer a análise de estabilidade de um talude

com h = 8m (altura de escavação), e altura de água correspondente a hw = 4,8m, encontrando,

com o uso do software “MacStars”, a superfície de ruptura crítica, exigindo-se um coeficiente

de segurança (FS) de 1,5.

1 Se o fator de segurança for igual à unidade, tem-se um estado de Equilíbrio Limite, onde o talude encontra-se na eminência do colapso. FS maiores que a unidade indicam um talude estável.

8 Considerando a superfície crítica definida, será feita a comparação dos fatores de

segurança obtidos com uso de planilhas eletrônicas elaboradas conforme os métodos de

Fellenius, Taylor e Bishop.

Além de referida análise, será apresentado o dimensionamento de três opções de

estruturas de contenção para a situação em estudo.

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1 ANÁLISE DO TALUDE

A análise do talude, utilizando o Macstars, foi realizada a partir de um talude com

inclinação de 45°, dotado de um sistema de drenagem, como pode ser visto na Figura 1. Para

esta análise obteve-se um fator de segurança de 1.474, abaixo do fator exigido, tornando

necessária a realização de nova análise.

Figura 1 – Primeira análise do talude com Macstars

Fonte: MacStars 2000.

Realizando várias tentativas, com variação do ângulo de inclinação do talude, e

mudança na posição e dimensão do sistema de drenagem, chegou-se a situação desejada,

obtendo-se uma fator de segurança de 1.500, como pode ser observado na Figura 2.

10

Figura 2 – Análise final do talude com Macstars

Fonte: MacStars 2000.

Utilizando os dados fornecidos pelo MacStars foi desenhado o talude e a superfície

crítica no Autocad, fazendo a divisão da região de ruptura em 15 fatias. Coletando os dados

das fatias alimentou-se as planilhas eletrônicas fornecidas pelo professor, calculando-se o

fator de segurança por três métodos: Fellenius, Taylor e Bishop.

1.1 Fator de segurança por Fellenius

Utilizando as ferramentas do Autocad, foram obtidas as seguintes informações2:

• ∆l = Comprimento do segmento de arco da fatia;

• h = Altura da fatia (medida pelo centro da mesma); 2 Todas estas informações podem ser verificadas pelo nome da layer no arquivo eletrônico em dwg.

11

• hw = Altura de água (medida do centro do segmento de arco da fatia até o

nível de água).

• Θ = Ângulo formado entre o centro do segmento de arco da fatia e o centro

da superfície crítica, com referência a uma linha vertical.

• Aseca = Área da região da fatia sem presença de água.

• Aw = Área da fatia com presença de água.

Os valores encontrados foram lançados na planilha, obtendo-se um FS = 1,564

(Figura 3).

Figura 3 – Cálculo do FS pelo método de Fellenius

Fonte: Planilha eletrônica do professor.

1.2 Fator de segurança por Taylor

O método de Taylor é caracterizado pelo uso de um ábaco (método gráfico), que

fornece um fator de segurança de forma rápida e com razoável precisando, sendo uma

ferramenta útil para uma primeira ideia das condições de um talude em estudo.

Este método utiliza um FS arbitrado, o qual deve ser comparado com o FS calculado.

Se ambos os valores coincidem, representam o FS do problema, do contrário, deve-se arbitrar

um valor intermediário e repetir o procedimento.

Para o caso em estudo arbitrou-se um FS inicial de 1, obtendo-se um FS calculado de

2,99. Fez-se então uma segunda tentativa arbitrando um FS = 1.7, obtendo-se um FS

calculado de 1,75. Por fim chegou-se ao Fator final, de 1,725. Na figura 4 é possível verificar

os dados da planilha.

Fatia Dl h Q W sen(Q) Wsen(Q) cos(Q) Wcos(Q) hw U N Aseca Aw

1 2,219 1,072 72,049 11,122 0,95 10,58 0,31 3,43 0,000 0,00 3,43 0,809 0,000

2 1,441 2,753 61,698 26,053 0,88 22,94 0,47 12,35 0,000 0,00 12,35 1,895 0,000

3 1,171 3,860 54,312 36,309 0,81 29,49 0,58 21,18 0,000 0,00 21,18 2,641 0,000

4 1,023 4,714 48,109 44,283 0,74 32,97 0,67 29,57 0,000 0,00 29,57 3,221 0,000

5 1,040 5,090 42,275 53,978 0,67 36,31 0,74 39,94 0,071 0,74 39,20 3,833 0,077

6 0,959 4,994 36,623 53,807 0,60 32,10 0,80 43,18 0,476 4,56 38,62 3,472 0,365

7 0,901 4,784 31,364 52,238 0,52 27,19 0,85 44,60 0,766 6,90 37,70 3,088 0,588

8 0,859 4,480 26,387 49,438 0,44 21,97 0,90 44,29 0,961 8,25 36,03 2,704 0,737

9 0,828 4,094 21,617 45,622 0,37 16,81 0,93 42,41 1,075 8,90 33,51 2,320 0,825

10 0,805 3,634 17,002 40,856 0,29 11,95 0,96 39,07 1,115 8,98 30,09 1,937 0,855

11 0,788 3,108 12,498 35,244 0,22 7,63 0,98 34,41 1,088 8,57 25,84 1,553 0,835

12 0,777 2,519 8,072 28,816 0,14 4,05 0,99 28,53 0,998 7,75 20,78 1,169 0,766

13 0,771 1,870 3,695 21,624 0,06 1,39 1,00 21,58 0,848 6,54 15,04 0,785 0,651

14 0,769 1,161 -0,662 13,679 -0,01 -0,16 1,00 13,68 0,639 4,91 8,76 0,402 0,490

15 0,772 0,395 -5,021 4,860 -0,09 -0,43 1,00 4,84 0,372 2,87 1,97 0,057 0,245

15,12 254,78 354,08

FS= 1,564449 FS adotado = 1,564

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Figura 4 – Cálculo do FS pelo método de Taylor

Fonte: Planilha eletrônica do professor.

Na Figura 5 é possível acompanhar a extração do fator de multiplicação, utilizado

para obtenção de cm, para cada uma das tentativas.

Figura 5 – Leituras no ábaco de Taylor

Fonte: Próprio autor.

1.3 Fator de segurança por Bishop

Para a obtenção do FS pelo método de Bishop foi necessário fazer a medição da

largura das fatias, inserindo este dado na coluna ∆xi. O método também utiliza algumas das

informações anteriormente informadas para o método de Fellenius.

A Figura 6 apresenta a planilha de cálculo, tendo-se obtido o FS de 1,606.

Fφ= 1 Fφ= 1,7 Fφ= 1,725

φm= 24,27 º φm= 14,85442 º φm= 14,64846 º

cm= 5,279359 kPa cm= 9,018904 kPa cm= 9,15942 kPa

Fc= 2,99 Fc= 1,75 Fc= 1,725

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Figura 6 – Cálculo do FS pelo método de Bishop

Fonte: Planilha eletrônica do professor.

1.4 Comparação dos métodos

É possível observar que os resultados obtidos pelas planilhas foi superior ao obtido

com o uso do MacStars. Sendo possível observar o resumo dos resultados na Tabela 1.

Tabela 1 – Comparação dos fatores de segurança obtidos MacStars Fellenius Taylor Bishop

FS 1.500 1.564 1.725 1.606

% 100.0 104.3 115.0 107.1

Fonte: Próprio autor.

Fatia Dxi c.Dxi ui.Dxi Wi-ui.Dxi (5).tan(Q) (3)+(6) FS=1,54 FS=1,545 FS=1,56 FS=1,565

1 0,683 10,7914 0 11,122 5,014946 15,80635 0,586735 0,585833 26,93951 26,98096

2 0,683 10,7914 0 26,053 11,747 22,5384 0,731904 0,731069 30,79422 30,82936

3 0,683 10,7914 0 36,309 16,37141 27,16281 0,821172 0,820402 33,07811 33,10914

4 0,683 10,7914 0 44,283 19,9668 30,7582 0,885669 0,884963 34,72879 34,75647

5 0,769 12,1502 0,54599 53,432 24,09202 36,24222 0,936877 0,93624 38,68406 38,71039

6 0,769 12,1502 3,66044 50,147 22,61047 34,76067 0,977237 0,976672 35,57034 35,59093

7 0,769 12,1502 5,89054 46,347 20,89746 33,04766 1,006264 1,005771 32,84194 32,85804

8 0,769 12,1502 7,39009 42,048 18,95872 31,10892 1,025935 1,025514 30,3225 30,33495

9 0,769 12,1502 8,26675 37,356 16,84321 28,99341 1,037529 1,03718 27,94468 27,95408

10 0,769 12,1502 8,57435 32,282 14,55538 26,70558 1,041906 1,041629 25,63147 25,63828

11 0,769 12,1502 8,36672 26,877 12,11857 24,26877 1,039664 1,039459 23,3429 23,34751

12 0,769 12,1502 7,67462 21,142 9,532601 21,6828 1,031204 1,031071 21,02668 21,02939

13 0,769 12,1502 6,52112 15,103 6,809591 18,95979 1,01679 1,016729 18,64672 18,64784

14 0,769 12,1502 4,91391 8,766 3,952267 16,10247 0,99655 0,996561 16,1582 16,15803

15 0,769 12,1502 2,86068 1,999 0,901451 13,05165 0,970538 0,970621 13,44785 13,4467

409,158 409,3921

FS=1,54 F= 1,605912 FS adotado = 1,606

FS=1,545 F= 1,606831

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2 DIMENSIONAMENTO DA ESTRUTURA DE CONTENÇÃO

Para as dimensões do talude em estudo (h=8m; hw=4,8m) dimensionou-se, com

auxílio das planilhas eletrônicas do professor, três alternativas de estrutura de contenção:

muro de arrimo de gravidade, muro de flexão e cortina de estaca-prancha.

2.1 Muro de arrimo de gravidade

Este tipo de solução é baseada na resistência gerada na superfície da base pelo peso

próprio do muro, evitando o deslizamento. Na Figura 7 podemos ver os dados da planilha.

Figura 7 – Dimensionamento do muro de gravidade

Fonte: Planilha eletrônica do professor.

Dados do talude: Dados do Solo:

H= 8,00 m gS= 28,52 kN/m³ e= 1,79 S%= 54,96

Hw= 4,80 m c= 15,80 kN/m2F= 24,27 º

Cálculo de g e gSAT

Pré-dimensionamento g= 13,748 kN/m³ gSAT= 16,638 kN/m³

bo= 1,12 m adot bo= 1,35 m 21,4

b= 4,016667 m adot b= 4,00 m

Cálculo dos Empuxos Ka= 0,417 Kp= 2,396

Solo: Água:

shA= 0,00 (kN/m²)/m

shB= 27,54 (kN/m²)/m

sh'BSAT= 13,30 (kN/m²)/m shBw= 0,00 (kN/m²)/m

sh'CSAT= 36,41 (kN/m²)/m shCw= 32,00 (kN/m²)/m

Empuxo Solo Seco Verificação ao tombamento

EaSS= 66,11 (kN/m)/m FSTOMB= 2,73 > 2 OK!!!!!

xaSS= 4,80 m

Empuxo Solo Saturado Verificação ao deslizamento

EaSSAT= 79,54 (kN/m)/m FSDESL= 1,50 > 1,5 OK!!!!!

xaSSAT= 1,35 m

Empuxo Água Verificação das tensões nas fundações

Eaw= 51,20 (kN/m)/m d1= 1,62 m

xaw= 1,07 m e= 0,38 m < 0,67 m (está no terço médio)

Empuxo total: s1= 201,67 kN/m² < 260 kN/m² OK!!!!

EaT= 196,84 (kN/m)/m s2= 55,13 kN/m²

xaT= 2,44 m (s1=+s2)/2= 128,40 < 200 kN/m² OK!!!!

Rv do muro:

RV= 513,6 (kN/m)/m

dV= 2,55 m

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2.2 Muro de flexão

O muro de flexão é uma solução geralmente aplicada em aterros e reaterros, e que

conta com o peso do solo para estabilizar-se. É constituído de uma laje de fundo e uma laje

vertical.

Na Figura 8 temos apresentados os dados da planilha.

Figura 8 – Dimensionamento do muro de flexão

Fonte: Planilha eletrônica do professor.

OPÇÃO 1 SEM DRENAGEM EFICIENTE NO SOLO EM CONTATO COM O MURO

Considerou-se c=0 a favor da segurança

H= 8,00 m Hw= 4,80 m

B0= 0,80 m B0adot= 1,00 m Wconcr= 325,00 kN/m

B= 5,60 m Badot= 6,00 m Wsolo= 410,38 kN/m

B1= 1,87 m B1adot= 1,00 ml= 0,80 m ladot= 1,00 m

Ka= 0,42 tombamento

Ea= 219,64 kN/m Ftomb= 4,971779 >2 OK! 2,683161

Wmuro= 735,38 kN/m deslizamento

d= 3,20 m Fdesl= 1,509646 >1,5 OK!

A1= 150 Tensões na fundação

A2= 175 d1= 2,404641 m

A3= 410,38 e= 0,595359 m < 1 m(no terço médio)

s1= 195,53 kN/m² < 260 kN/m² OK!!!!

s2= 49,59 kN/m²

(s1=+s2)/2= 122,5637 < 200 kN/m² OK!!!!

OPÇÃO 2 COM DRENAGEM EFICIENTE NO SOLO EM CONTATO COM O MURO

Considerou-se c=0 a favor da segurança

H= 8,00 m Hw= 4,80 m

B0= 0,80 m B0adot= 0,80 m Wconcr= 302,50 kN/m

B= 5,60 m Badot= 5,10 m Wsolo= 318,05 kN/m

B1= 1,87 m B1adot= 1,00 ml= 0,80 m ladot= 1,00 m

Ka= 0,42 tombamento

Ea= 183,63 kN/m Ftomb= 3,50569 >2 OK! 2,683161

Wmuro= 620,55 kN/m deslizamento

d= 2,77 m Fdesl= 1,523676 >1,5 OK!

A1= 127,5 Tensões na fundação

A2= 175 d1= 1,977294 m

A3= 318,05 e= 0,572706 m < 0,85 m(no terço médio)

s1= 203,66 kN/m² < 260 kN/m² OK!!!!

s2= 39,69 kN/m²

(s1=+s2)/2= 121,6757 < 200 kN/m² OK!!!!

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2.3 Estaca prancha

As estacas-prancha são cortinas de contenção formadas por perfis, que podem ser de

madeira, concreto ou metálicos, justapostos e cravados no solo. Podem ser utilizadas como

solução para obras provisórias ou permanente.

“As estacas-prancha são aplicáveis em quase todo tipo de solo, porém

apresentam dificuldades de introdução em solos duros, não sendo aplicáveis em blocos

rochosos”, explica o engenheiro Márcio Varela, professor do Instituto Federal de

Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte (IFRN) (NAKAMURA, 2015).

Na Figura 9 é possível observar os resultados obtidos com uso da planilha eletrônica.

Figura 9 – Dimensionamento da estaca prancha

Fonte: Planilha eletrônica do professor.

1.1) FS= 2 SOLO ARGILOSO CONSIDERANDO QUE O SOLO ARGILOSO DE IJUÍ DEVE TER FS=2

H= 8,00 m Hw= 4,80 m

γ= 13,748 kN/m³ γSAT= 16,638 kN/m³ Valores para

F= 24,27 º SMC=0

Ka= 0,417 1ª tentativa 2ª tentativa

Kp= 1,198 Dadot= 8,00 9,60 50,00 6,25

D'= 6,67 8,00 14,83 Adotado 41,67

shA= 0,00 (kN/m²)/m z1= 7,027841677 7,027842 A1= 66,10768 11,46667

shB= 27,54 (kN/m²)/m Ea= 305,6457919 305,6458 A2= 106,6698 8,266667

shBSAT= 33,33 (kN/m²)/m dEa= 7,299793667 8,633127 A3= 4,922745 7,733333

shCSAT= 36,41 (kN/m²)/m Ep= 0,33792205 2,448246 A4= 127,9455 4,324053

shDSAT= -1,87 (kN/m²)/m dEp= -0,12039167 0,324053 ∑AEa= 305,6458 7,299794 =dEa

shDSAT2= 5,04 (kN/m²)/m ∑MD=0 2231,191899 2637,886

1.2) FS= 1,5 pelo solo argiloso de Ijuí ser um solo tropical laterítico CONSIDERANDO QUE O SOLO ARGILOSO DE IJUÍ DEVE TER FS=1,5

H= 8,00 m Hw= 4,80 m

γ= 13,748 kN/m³ γSAT= 16,638 kN/m³ Valores para

F= 24,27 º SMC=0

Ka= 0,417 1ª tentativa 2ª tentativa

Kp= 1,597 Dadot= 8,00 9,60 38,00 4,75

D'= 6,67 8,00 12,74 Adotado 31,67

shA= 0,00 (kN/m²)/m z1= 4,649293914 4,649294 A1= 66,10768 11,46667

shB= 27,54 (kN/m²)/m Ea= 262,3430905 262,3431 A2= 106,6698 8,266667

shBSAT= 33,33 (kN/m²)/m dEa= 8,046779663 9,380113 A3= 4,922745 7,733333

shCSAT= 36,41 (kN/m²)/m Ep= 15,93633364 43,96315 A4= 84,64282 5,116902

shDSAT= 15,80 (kN/m²)/m dEp= 0,672457584 1,116902 ∑AEa= 262,3431 8,04678 =dEa

shDSAT2= 26,24 (kN/m²)/m ∑MD=0 2100,300537 2411,705

1.3) Colocando tirante e FS=1,5: Dadot= 10,00

D'= 8,33

Soma Mc=0 2.100,30 kNm/m colocamos o tirante a 1,50 m da superfície

MT= 159,52 kN/m de contenção

Pela tab. 17.3 pág. 623 DywidagST85/105 32mm (tirante de barra)

Fens,max= 615,00 kN

Ft,prov= 410,00 kN

Ft,perm= 351,43 kN>346,10kN Não Ok!!!! Buscar outro tirante!!!

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2.4 Solução adotada

A solução adotada, muro de gravidade, foi baseada em dois fatores principais:

• Primeiro: das soluções dimensionadas foi aquela cujos dados melhor

consegui interpretar. No muro de flexão fiquei com dúvida qual medida era

referente a qual parte do muro. E nas estacas também fiquei com várias

dúvidas. Como necessitaria de um prazo maior para sanar tais dúvidas, decidi

utilizar a solução que me sinto mais seguro;

• Segunda: o muro de gravidade é de fácil execução e baixo custo.

O dimensionamento realizado com uso da planilha resultou no muro apresentado na

Figura 10.

Admitindo que o peso específico do concreto é de 25kN/m³, e considerando as

dimensões do mesmo, resulta que seu peso equivale a 535kN/m, ou seja, 21,4m³ de concreto

para cada metro de muro.

Figura 10 – Muro de gravidade

Fonte: Próprio autor.

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CONCLUSÃO

Atualmente, graças a informatização, que disponibiliza softwares de análise como o

Macstars, o processo de análise e dimensionamento de taludes e estruturas de contenção é

rápido e eficiente, facilitando o trabalho do engenheiro. Contudo, para fazer o correto uso

destas ferramentas é importante que o engenheiro tenha o entendimento do que significa cada

um dos dados, tanto de entrada (propriedades do solo, geometria, etc.) quando de saída

(coordenadas dos pontos, dimensões da linha de ruptura, etc.), a fim de assegurar que a

resposta oferecida de software (ou planilha) represente a condição real, ou mais próxima

possível da realidade.

Através do desenvolvimento deste trabalho fui conduzido por um processo de

experimentação e aprendizagem, que, embora ainda necessite avançar, permitiu-me deparar

com as dificuldades encontradas para estabelecer a situação de entorno, construindo um

modelo matemático baseado em métodos de cálculos distintos.

Uma dificuldade encontrada no desenvolvimento deste trabalho foi referente a

operação das planilhas de cálculo, uma vez que, como não foram construídas por mim,

precisava avaliar cada um dos campos, comparando com as notas de aula, para tentar fazer o

melhor uso possível.

Quanto aos resultados obtidos, percebe-se que o software Macstars resultou em um

coeficiente a favor da segurança, já que os resultados obtidos com uso das planilhas

resultaram em um maior FS.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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