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Mecânica dos solos II 30/06/2016 1 1 Engenharia Civil - UFT Prof.º Marcus Vinicius R. e Souza, MSc Palmas - TO 2015 Mecânica dos solos II Aula 9 – Estabilidade de Taludes ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II 2 INTRODUÇÃO ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II 3 INTRODUÇÃO ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Mecânica dos solos II 30/06/2016 2 Talude é a superfície que forma um ângulo com a horizontal definido uma fronteira entre o interior do solo e/ou rocha e a atmosfera, originados de processos geológicos e antrópicos. 4 INTRODUÇÃO ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Quando no solo a tensão cisalhante atuante é maior do que a resistência ao cisalhamento do solo, ocorre a ruptura. 5 INTRODUÇÃO ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Tragédia em Niterói – RJ O terreno acidentado onde estavam as casas arrastadas pela terra que desmoronou já abrigou um aterro sanitário. Mais de 100 mortos Talude natural (encosta) - presença de diferentes materiais, maior complexidade geológica, maior heterogeneidade e anisotropia • Materiais – muita variabilidade e heterogêneo, sendo necessário várias amostras • Fluxo de água é de difícil determinação, precisando ser instrumentado • Geometria de difícil determinação Talude artificial (barragem de terra) - presença de materiais pré-selecionados, controle dos procedimentos construtivos •Materiais – em alguns casos, homogêneo • Fluxo, geralmente, pode ser determinado • Geometria predefinida. 6 TIPOS DE TALUDES ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Mecânica dos solos II 30/06/2016 3 RUPTURA DE UM TALUDE Sob condições específicas, uma porção do material de um talude pode deslocar-se em relação ao maciço restante, desencadeando um processo genericamente denominado de movimento de massa, ao longo de uma dada superfície chamada superfície de ruptura. 7 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II RUPTURA DE UM TALUDE Um dado talude está submetido basicamente a dois tipos de forças: • Forças instabilizantes (comumente forças gravitacionais e/ou de percolação) que induzem o movimento de massa ao longo da superfície de ruptura; • Forças resistentes que se opõem a ação do movimento de massa, em função da mobilização da resistência ao cisalhamento do material. Analisar a estabilidade de um talude consiste em se correlacionar este sistema de forças mobilizadas ao longo de uma determinada superfície de ruptura (geometria variável). 8 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II TIPOS DE SUPERFÍCIE DE RUPTURA 9 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Mecânica dos solos II 30/06/2016 4 Mecanismos que levam à ruptura São aqueles que levam a um aumento dos esforços atuantes ou a uma diminuição da resistência do material que compõe o talude ou do maciço como um todo. O material que compõe um talude tem a tendência natural de escorregar sob a influência da força da gravidade, entre outras que são suportadas pela resistência ao cisalhamento do próprio material. 10 RUPTURA DE UM TALUDE ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Mecanismos que levam à ruptura Algumas das causas do aumento de aumento dos esforços atuantes ou da diminuição da resistência do material que compõe o talude podem ser: - Causas externas: i. Mudança da geometria do talude (inclinação e/ou altura), devido a cortes ou aterros, no talude ou em terrenos adjacentes; ii. Aumento da carga atuante (por sobrecargas na superfície, por exemplo) iii. Atividades sísmicas, e outras... 11 RUPTURA DE UM TALUDE ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II 12 MECANISMOS QUE LEVAM A RUPTURA ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Alteração da Geometria do Talude : alteração do estado de tensões e redução da tensão horizontal Mecânica dos solos II 30/06/2016 5 13 MECANISMOS QUE LEVAM A RUPTURA ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Mudança no estado de tensões - Aumento do Peso Específico do Solo por Saturação chuva infiltração Sobrecargas Sobre o Talude 14 MECANISMOS QUE LEVAM A RUPTURA ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Favorecimento de uma superfície antes impossível Condicionantes Geológicos maciço rochoso fraturado - Causas internas: i. Variação do nível de água (N.A.), que pode gerar: a) Aumento do peso específico do material; b) Aumento da poropressão diminuição da pressão efetiva c) A saturação em areias faz desaparecer a coesão fictícia d) Rebaixamento rápido do NA forças de percolação... ii. Diminuição da resistência do solo (ou rocha), ou do maciço como um todo, com o tempo (por lixiviação, por mudanças nos minerais secundários, nas descontinuidades, etc.); 15 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II MECANISMOS QUE LEVAM A RUPTURA Mecânica dos solos II 30/06/2016 6 16 MECANISMOS QUE LEVAM A RUPTURA ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II A Antes: u < 0 (sucção) A A Após chuva e saturação do talude: u > 0 A equipotencial h a u = h A a a linha de fluxo cimento água Redução de sucção e coesão do solo Dissolução de Agentes Cimentantes INTEMPERISMO Bjerrum, 1966 Aumento de Poropressões 17 MECANISMOS QUE LEVAM A RUPTURA ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Erosão erosão interna (piping) Solicitações Sísmicas a 18 MECANISMOS TÍPICOS DE INSTABILIDADE ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Tombamento Queda Deslizamento Fluxo Mecânica dos solos II 30/06/2016 7 19 SINAIS DE INSTABILIDADE ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Embarrigamento da Face do Talude Usualmente de difícil detecção (vegetação, magnitude). Fonte: Ennio Palmeira – apostila de geot 3 Trincas ou Fissuras na Crista trincas Remediação imediata: fechamento das trincas. Surgimento de tensões negativas 20 SINAIS DE INSTABILIDADE ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II 21 SINAIS DE INSTABILIDADE ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Perda de Verticalidade (Prumo) de Árvores, Postes, etc. Mecânica dos solos II 30/06/2016 8 22 SINAIS DE INSTABILIDADE ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Água Minando no Talude com Partículas de Solo carreamento de partículas Remediação imediata: sistema filtro-drenante. 23 ESTABILIZAÇÃO DE TALUDES ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II TALUDES - Como estabilizar? FASES DE PROJETO Diagnóstico Estudos geológicos e geotécnicos Solução Taludes em Solo Taludes em Rocha Monitoramento Instrumentação Inspeções 24 ESTABILIZAÇÃO DE TALUDES ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Diminuição da Inclinação do Talude corte corte berma Drenagem Superficial canaletas Talus ''' tan)u('ctan'c Mecânica dos solos II 30/06/2016 9 25 ESTABILIZAÇÃO DE TALUDES ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II 26 ESTABILIZAÇÃO DE TALUDES ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Drenagem Profunda Bermas berma drenos profundos 27 ESTABILIZAÇÃO DE TALUDES ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Revestimento do Talude concreto projetado ou geomembrana • Evita ou minimiza erosão superficial • Evita infiltração • Aumenta a resistência da superfície do talude (raízes). Mecânica dos solos II 30/06/2016 10 28 ESTABILIZAÇÃO DE TALUDES ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II 29 ESTABILIZAÇÃO DE TALUDES ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II 30 ESTABILIZAÇÃO DE TALUDES ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Talude em rocha Eliminação Estabilização Convivência Estruturas de Contenção Fragmentação e remoção Mecânica dos solos II 30/06/2016 11 31 Engenharia Civil - UFT Prof.º Marcus Vinicius R. e Souza, MSc Palmas - TO 2015 Mecânica dos solos II Aula 9.1 – Métodos de Estabilidade de Taludes ENGENHARIA CIVIL Mecânica dossolos II MÉTODOS DE ESTABILIDADE Os métodos ou teorias da análise da estabilidade de taludes consideram as superfícies de ruptura, ou deslizamento, com diversas formas, reta, circular, logaritma ou com uma forma qualquer. A forma circular é mais utilizada atualmente não por ser aquela que descreva o deslizamento em sua plenitude mas por trazer implicitamente uma simplificação matemática muito grande em comparação com outros métodos. 32 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Avaliação quantitativa da estabilidade global de um dado talude, em função dos seus fatores predisponentes e à ação dos agentes externos e internos de instabilização, por meio de dois procedimentos básicos: (i) Métodos probabilísticos: análise quantitativa expressa sob a forma de uma probabilidade ou risco de ruptura; (ii) Métodos determinísticos: análise quantitativa expressa sob a forma de um coeficiente ou fator de segurança (FS), que pode ser estabelecido com base em: Equilíbrio de forças: Equilíbrio de momentos: Resistência ao cisalhamento: MÉTODOS DE ESTABILIDADE 33 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Mecânica dos solos II 30/06/2016 12 Fator de segurança é uma folga, ou sobra, que existe entre o sistema na sua condição natural e a condição limite de equilíbrio. O fator de segurança pode ser aplicado sobre o material ou a solicitação. mobilizadaa Resistênci disponívela Resistênci FS MATERIAL Máxima solicitação admissível Solicitação existente FS SOLICITAÇÕES MÉTODOS DE ESTABILIDADE 34 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II MÉTODOS DE ESTABILIDADE 𝐹𝑆 = 𝜏𝑓 𝜏𝑚𝑜𝑏 Eq. 1 FS = Fator de segurança em relação à resistência 𝜏𝑓 = Resistência média ao cisalhamento do solo 𝜏𝑚𝑜𝑏 = Resistência média ao cisalhamento desenvolvida ao longo da superfície potencial de ruptura 𝜏𝑓 = c ′ + 𝜎′𝑡𝑔∅′ 𝐸𝑞. 2 Resistência média ao cisalhamento do solo Resistência média ao cisalhamento mobilizada 𝜏𝑚𝑜𝑏 = 𝑐′𝑚𝑜𝑏 + 𝜎 ′𝑡𝑔∅′𝑚𝑜𝑏 𝐸𝑞. 3 𝐹𝑆 = c′ + 𝜎′𝑡𝑔∅′ 𝑐′𝑚𝑜𝑏 + 𝜎′𝑡𝑔∅′𝑚𝑜𝑏 35 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II MÉTODOS DE ESTABILIDADE 𝐹𝑆 = 𝜏𝑓 𝜏𝑚𝑜𝑏 FS = Fator de segurança em relação à resistência 𝜏𝑓 = Resistência média ao cisalhamento do solo 𝜏𝑚𝑜𝑏 = Resistência média ao cisalhamento desenvolvida ao longo da superfície potencial de ruptura Sistema equilibrado e instável 1 f mob FS Sistema equilibrado e estável 1 f mob FS Sistema desequilibrado (RUPTURA) 1 f mob FS 36 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Mecânica dos solos II 30/06/2016 13 As análises determinísticas envolvem os seguintes métodos: i. Análise limite Baseia-se no uso das teorias de limite inferior e superior da Teoria da Plasticidade. Problemas envolvidos neste tipo de análise: - Limite Inferior: Definição de campo de tensões admissíveis realísticos; - Limite Superior: Definição de modo de Ruptura “a priori” (forma da superfície de ruptura) realístico. MÉTODOS DE ESTABILIDADE 37 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II As análises determinísticas envolvem os seguintes métodos: ii. Tensão x Deformação Esta solução envolve métodos numéricos, sendo o MEF – Método dos Elementos Finitos – o mais comum. Esta solução requer: - Perfil geotécnico (geometria do problema, incluindo estratigrafia); - Processo de formação do solo; - Determinação e modelagem das características de tensão x deformação (como esta geralmente é uma tarefa bastante complicada, representatividade do modelo para solos naturais pode ficar prejudicada). MÉTODOS DE ESTABILIDADE 38 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II As análises determinísticas envolvem os seguintes métodos: iii. Equilíbrio Limite: Hipóteses básicas: 1) Assume-se a existência de uma superfície de ruptura bem definida; 2) A massa de solo ou rocha encontra-se em condições de ruptura generalizada iminente (i.e., em um estado de equilíbrio limite); 3) Assume-se um critério de ruptura (em geral Mohr-Coulomb), o qual é satisfeito ao longo de toda a superfície de ruptura; 4) Assume-se um coeficiente ou fator de segurança (F constante e único ao longo da superfície potencial de ruptura). MÉTODOS DE ESTABILIDADE 39 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Mecânica dos solos II 30/06/2016 14 • MÉTODOS DE EQUILIBRIO LIMITE A análise é feita comumente a duas dimensões (análise 2-D), considerando-se a seção mais crítica do talude (p. ex.: a seção de altura máxima) e desconsiderando-se os efeitos de confinamento lateral (análise 3-D). MÉTODOS DE ESTABILIDADE 40 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II • MÉTODOS DE EQUILIBRIO LIMITE MÉTODOS DE ESTABILIDADE 41 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II • MÉTODOS DE EQUILIBRIO LIMITE MÉTODOS DE ESTABILIDADE 42 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Mecânica dos solos II 30/06/2016 15 • MÉTODOS DE EQUILIBRIO LIMITE Métodos de análise 1. Método geral: as condições de equilíbrio são aplicadas a toda a massa de solo potencialmente instável, admitida como se comportando como um corpo rígido; MÉTODOS DE ESTABILIDADE 43 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II • MÉTODOS DE EQUILIBRIO LIMITE Métodos de análise 2. Método das Fatias: a massa de solo potencialmente instável é subdividida em fatias (comumente verticais) e as condições de equilíbrio são aplicadas a cada fatia isoladamente; MÉTODOS DE ESTABILIDADE 44 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II • MÉTODOS DE EQUILIBRIO LIMITE Métodos de análise 3. Método das Cunhas: a massa de solo potencialmente instável é subdividida em zonas ou cunhas de solo e as condições de equilíbrio são aplicadas a cada zona de solo isoladamente. MÉTODOS DE ESTABILIDADE 45 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Mecânica dos solos II 30/06/2016 16 1. Método geral: 1. Superfície plana de ruptura 2. Superfície curva de ruptura 3. Método do círculo de atrito (Taylor) 4. Ábacos de Taylor 2. Método das fatias: 1. Método do talude infinito 2. Método das fatias para superfície circular ou qualquer I. Método de Fellenius II. Método de Bishop simplificado III. Método Janbu simplificado/Generalizado IV. Método de Spencer V. Método de Morgenstern-Price VI. Método GLE VII. Método de Sarma MÉTODOS DE ANÁLISE 46 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II ESTABILIDADE DE TALUDES INFINITOS 47 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II ESTABILIDADE DE TALUDES INFINITOS 48 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Mecânica dos solos II 30/06/2016 17 ESTABILIDADE DE TALUDES INFINITOS 49 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II ESTABILIDADE DE TALUDES INFINITOS 50 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II ESTABILIDADE DE TALUDES INFINITOS 51 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Obs.: Solo não coesivo o FS não depende da profundidade h. Para ocorrer escorregamento ɸ < i. Obs.: Se um solo possui coesão e atrito, a profundidade do plano ao longo do qual o equilíbrio critico ocorre pode ser calculada substituindo-se FS = 1 e H = Hcr. Mecânica dos solos II 30/06/2016 18 52 Para o talude infinito em mostrado, determine: a) O fator de segurança contra deslizamento na interface solo- rocha. b) A altura, H, que fornecerá um fator de segurança de 2 contra deslizamentos ao longo da interface solo-rocha. estado de percolação constante EXEMPLO 53 EXEMPLO 𝐹𝑆 = 10 (17,8)(6)(𝑐𝑜𝑠15)2(𝑡𝑔15) + 7,99𝑡𝑔20 17,8𝑡𝑔15 = 0,375 + 0,61 = 0,985 2 = 10 (17,8)(𝐻)(𝑐𝑜𝑠15)2(𝑡𝑔15) + 7,99𝑡𝑔20 17,8𝑡𝑔15 𝛾𝑠𝑎𝑡 = 17,8 𝑘𝑁/𝑚 3 𝛾′ = 𝛾𝑠𝑎𝑡 − 𝛾𝑤 = 17,8 − 9,81 = 7,99𝑘𝑁/𝑚 3 54 EXEMPLO 2 = 2,247 𝐻 + 0,61 a 𝑭𝑺 = 𝟎, 𝟗𝟖𝟓 b 𝑯 = 𝟏, 𝟔𝟐 𝒎 Mecânica dos solos II 30/06/2016 19 1. Método geral: 1. Superfícieplana de ruptura 2. Superfície curva de ruptura 3. Método do círculo de atrito (Taylor) 4. Ábacos de Taylor 2. Método das fatias: 1. Método do talude infinito 2. Método das fatias para superfície circular ou qualquer I. Método de Fellenius II. Método de Bishop simplificado III. Método Janbu simplificado/Generalizado IV. Método de Spencer V. Método de Morgenstern-Price VI. Método GLE VII. Método de Sarma MÉTODOS DE ANÁLISE 55 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II MÉTODOS DAS FATIAS PARA SUPERFÍCIE CIRCULAR 56 O método das fatias permite a análise de: Solo heterogêneo Superfície irregular Incluindo distribuição de poropressões O método de solução consiste nas seguintes etapas: 1. Subdividir o talude em fatias e assumir a base da fatia linear 2. Efetuar o equilíbrio de forças de cada fatia, assumindo que as tensões normais na base da fatia são geradas pelo peso de solo contido na fatia 3. Calcular o equilíbrio do conjunto por meio da equação de equilíbrio de momentos ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II MÉTODOS DAS FATIAS PARA SUPERFÍCIE CIRCULAR 57 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Mecânica dos solos II 30/06/2016 20 • A superfície de ruptura é circular (de centro O e raio r) • A massa de solo potencialmente instável é subdividida em fatias (largura b) • A base da lamela é aproximada a um segmento de reta (comprimento l). • Cada base de lamela deve compreender apenas um tipo de solo. • A altura da fatia é medida no centro da mesma (h) • O ângulo de inclinação da base da fatia com a horizontal é α. MÉTODOS DAS FATIAS PARA SUPERFÍCIE CIRCULAR 58 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Forças atuantes em cada fatia MÉTODOS DAS FATIAS PARA SUPERFÍCIE CIRCULAR 59 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II MÉTODOS DAS FATIAS PARA SUPERFÍCIE CIRCULAR 60 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II 1º 2º 3º Mecânica dos solos II 30/06/2016 21 MÉTODOS DAS FATIAS PARA SUPERFÍCIE CIRCULAR 61 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II MÉTODOS DAS FATIAS PARA SUPERFÍCIE CIRCULAR 62 Método de Fellenius O método de Fellenius é conservativo; isto é tende a fornecer baixos valores de FS. Em círculos muito profundos e com elevados valores de poropressão, o método tende a fornecer valores pouco confiáveis ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II MÉTODOS DAS FATIAS PARA SUPERFÍCIE CIRCULAR 63 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Mecânica dos solos II 30/06/2016 22 MÉTODOS DAS FATIAS PARA SUPERFÍCIE CIRCULAR 64 Método de Bishop simplificado É um método mais preciso do que o de Fellenius; O equilíbrio de forças ocorre na direção vertical; As forças de atrito entre as lamelas(fatias) são desprezadas; O erro médio é de apenas 1% em relação aos outros métodos mais rigorosos por não considerar as forças de atrito X entre as lamelas; O processo de cálculo do FS é iterativo. ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II MÉTODOS DAS FATIAS PARA SUPERFÍCIE CIRCULAR 65 Método de Bishop simplificado ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II MÉTODOS DAS FATIAS PARA SUPERFÍCIE CIRCULAR 66 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Mecânica dos solos II 30/06/2016 23 MÉTODOS DE ANÁLISE E SUAS CONSIDERAÇÕES 67 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II MÉTODOS DE ANÁLISE E SUAS CONSIDERAÇÕES 68 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II MÉTODOS DE ANÁLISE E SUAS CONSIDERAÇÕES • COMPARAÇÃO ENTRE MÉTODOS 69 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Mecânica dos solos II 30/06/2016 24 EXEMPLO 1 – MÉTODO COMUM DAS FATIAS 70 𝑊𝑛 = ℎ𝑛. 𝑏𝑛. 𝛾 ∆. 𝐿𝑛 = 𝑏𝑛. 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑛 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II EXEMPLO 1 – MÉTODO COMUM DAS FATIAS Refazer em escala 71 8,4 m ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II EXEMPLO 1 – MÉTODO COMUM DAS FATIAS 72 𝐹𝑆 = ( 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑛𝑎 6). 𝑐′ + ( 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑛𝑎 8). 𝑡𝑔∅′ 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑛𝑎 7 = 1,55 Ângulo positivo quando a inclinação do arco estiver no mesmo quadrante que a inclinação do talude. ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Mecânica dos solos II 30/06/2016 25 EXEMPLO 2 – MÉTODO COMUM DAS FATIAS 73 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II EXEMPLO 2– MÉTODO COMUM DAS FATIAS 74 ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II MÉTODOS COMPUTACIONAIS 75 Programas de elementos finitos ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II Mecânica dos solos II 30/06/2016 26 MÉTODOS COMPUTACIONAIS 76 Programas de elementos finitos Slide Slope/W Geo5 Slope ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II 77 Mecânica dos Solos II Fim... ENGENHARIA CIVIL Mecânica dos solos II
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