INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA DE UMA ENCOSTA NA ÁREA URBANA
DE SANTA CRUZ DO SUL – RS
Rinaldo J. B. Pinheiro1; José Mario Doleys Soares2; Adriano V.D. Bica3; Luiz A. Bressani4 & Cícero N.
Eisenberger5
Resumo – O objetivo deste artigo é apresentar um estudo da estabilidade de uma encosta localizada na área urbana de
Santa Cruz do Sul, Rio Grande do Sul. São discutidos os resultados das atividades de caracterização geológica,
investigação geotécnica e instrumentação desta encosta. Tais resultados são interpretados considerando as análises de
estabilidade também realizadas. Este trabalho está inserido em um estudo mais amplo de estabilidade de encostas na
região central do estado com o apoio do PADCT/FINEP.
Abstract – The objective of this paper is to present a study of the stability of a slope situated in the urban area of Santa
Cruz do Sul, Rio Grande do Sul. Results of geological characterization, geotechnical investigation and slope
instrumentation are discussed. Such results are interpreted considering the slope stability analyses also carried out. This
work is inserted in a wider study of stability of slopes in the central area of the state with the support of PADCT/FINEP.
Palavras-Chave – Estabilidade de Taludes, Instrumentação e Monitoramento.
INTRODUÇÃO
A cidade de Santa Cruz do Sul situa-se na região central do estado do Rio Grande do Sul, na transição entre a
Depressão Central Gaúcha e o Planalto Meridional. Esta transição se dá através de um relevo escarpado, e em alguns
locais com encostas constituídas de depósitos coluvionares. Em toda a área ocorrem colúvios e tálus, geralmente, ao
longo do contato entre as Formações Santa Maria e Botucatu. Estes depósitos são muito heterogêneos, sendo formados
por blocos de rocha basáltica (Formação Serra Geral) e arenítica (Formação Botucatu) e uma matriz argilo-arenosa. Esta
matriz argilo-arenosa, mesmo em pequenas quantidades, é de grande importância para as condições hidrogeológicas das
encostas. O arenito Botucatu é freqüentemente coberto por depósitos coluvionares argilo-arenosos, muitas vezes de
grande espessura, que estão relacionados com problemas de escorregamento. Nos locais de contato entre estas
formações situa-se uma grande quantidade de fontes d’água o que aumenta a umidade e poro-pressão dos depósitos
coluvionares. A cidade Santa Cruz do Sul é cercada por encostas cobertas com vegetação nativa, principalmente ao
norte e ao leste da área urbana. A Figura 1 apresenta um mapa de localização com destaque para a área de estudo.
GEOLOGIA E GEOMORFOLOGIA
Geomorfologicamente a área de estudo encontra-se associada à região da escarpa da Serra Geral do estado do
Rio Grande do Sul. Nesta região estão em contato as rochas pertencentes ao Planalto e Depressão Central que fazem
parte da Província Paraná. Este contato é caracterizado por declives acentuados (encosta sul da Serra Geral), onde são
freqüentes os movimentos de massa (coluvionamentos, deslizamentos, queda de blocos, etc). A encosta sul de direção
aproximadamente leste/oeste que desenvolve como uma borda profundamente erodida, constitui as unidades
geomorfológicas Serra Geral (Área Serrana) e Patamares da Serra Geral. Neste trecho os processos erosivos foram mais
intensos, e as escarpas descem sob a forma de patamares escalonados de norte para sul, em direção à Depressão Central
Gaúcha. Estas escarpas vão gradualmente diminuindo de altitude de leste para oeste, apresentando apenas um único
degrau (unidade geomorfológica Serra Geral – Área Serrana). Esta região é cortada em determinados locais por vales
em canyon, fazendo aflorar várias formações sedimentares Paleozóicas e Mesozóicas, principalmente as Formações
Rosário do Sul, Santa Maria, Caturrita e Botucatu. Neste trecho da encosta os principais tipos de movimentos de massa
foram quedas de blocos, escorregamentos e rastejos de colúvios e tálus. Destaca-se neste trecho da encosta da Serra
Geral a importância dos sedimentos silto-argilosos da Formação Santa Maria nos processos de instabilidade nas regiões
de Santa Cruz do Sul, Faxinal do Soturno e Santa Maria [1].
1
UFSM, Depto de Transporte, Cidade Universitária, Faixa de Camobi, Km 09, Cep: 97105-900, Santa Maria – RS,
Brasil, Telefone: (55) 2208313, Fax: (55)2208608, e-mail – [email protected]
2
UFSM, Depto de Transporte, Cidade Universitária, Faixa de Camobi, Km 09, Cep: 97105-900, Santa Maria – RS,
Brasil, Telefone: (55) 2208313, Fax: (55) 2208608, e-mail – [email protected]
3
UFRGS, Depto Engenharia Civil, Osvaldo Aranha, 99 – 3º andar, Cep: 90035-190, Porto Alegre – RS, Brasil,
Telefone: (51) 3163486, Fax: (51) 3163486, e-mail – [email protected]
4
UFRGS, Depto Engenharia Civil, Osvaldo Aranha, 99 – 3º andar, Cep: 90035-190, Porto Alegre – RS, Brasil,
Telefone: (51) 3163486, Fax: (51) 3163486, e-mail – [email protected]
5
UFRGS, Depto Engenharia Civil, Osvaldo Aranha, 99 – 3º andar, Cep: 90035-190, Porto Alegre – RS, Brasil,
Telefone: (51) 3163486, Fax: (51) 3163486, e-mail – [email protected]
As unidades geológicas mais importantes na área de Santa Cruz do Sul são as Formações Serra Geral, Botucatu e
Santa Maria. A Formação Serra Geral é constituída por três derrames de lavas vulcânicas basálticas, que constituem os
topos dos morros na região. Esses derrames são constantemente intercalados por arenitos eólicos da Formação
Botucatu. Os arenitos eólicos apresentam-se desde rochas silicificadas até sedimentos pouco consolidados (fraca
cimentação). Na base das encostas da região ocorrem os siltitos vermelhos da Formação Santa Maria, de baixa
permeabilidade e com concreções calcíferas.
INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS
Apesar do conhecimento dos riscos de escorregamentos na área urbana de Santa Cruz do Sul foi autorizado um
loteamento em parte da encosta norte da cidade ao longo da rua Álvaro Corrêa da Silva. Esta área, desde então, sofre
processos lentos e contínuos de deformação que devido ao processo de ocupação, tendem a acelerar e pequenos
escorregamentos já são comuns. Para a caracterização da área foi realizado levantamento plani-altimétrico, descrição
geológica, sondagens a trado e SPT, coleta de amostras, ensaios de caracterização e ensaios de cisalhamento direto. A
instrumentação de campo consistiu de piezômetros, medidores de nível de água e inclinômetros. A Figura 2 apresenta
um croqui da área de estudo apresentando em destaque a rua Álvaro Corrêa da Silva. A parte intermediária da encosta
com intensa cobertura vegetal está representado na Foto 1.
Figura 1. Área urbana de Santa Cruz do Sul .
Foto 1. Vista geral da encosta norte.
Rua Alvaro Correa
Foto 2. Foto aérea da encosta norte.
Figura 2. Mapa topográfico da área de estudo – encosta norte da área urbana de Santa Cruz do Sul.
Sondagens e ensaios de caracterização
Foram realizadas três sondagens mecânicas (SPT) e duas sondagens a trado (manual) para caracterizar o solo
coluvionar. O perfil geotécnico obtido nas sondagens é constituído por um colúvio de 6m a 8m de espessura composto
de um solo silto-argilo-arenoso, de cor marrom a vermelho, com blocos de basalto (Formação Serra Geral) e arenito
(Formação Botucatu). A camada basal é formada por siltitos vermelhos da Formação Santa Maria. A Figura 3 apresenta
uma seção transversal típica (seção A-A´) da encosta. As Fotos 3 e 4 apresentam o contato do colúvio marrom com o
siltito vermelho da Formação Santa Maria.
Foram realizados cinco conjuntos de ensaios de caracterização com os materiais provenientes das sondagens. A
Tabela 1 apresenta os resultados de ensaios de granulometria e limites de consistência ao longo da profundidade de um
dos conjuntos ensaiados. O solo coluvionar apresenta uma fração argila entre 10 e 26%, com predomínio de partículas
de tamanho silte (28 a 76%) e areia fina (8 a 48%). Texturalmente o colúvio foi classificado como um solo silto-arenoargiloso. A fração argila apresenta-se em maior quantidade nas profundidades iniciais. A camada basal da encosta é
constituída por mais de 70% de fração silte.
180
160
140
Basalto
Cotas (m)
N.A.
120
Colúvio
100
Arroio Jucuri
Rua
Alvaro Correa
I1
I2
80
Arenito/Siltito
Rua
A. J. Filter
60
40
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Distância (m)
Figura 3. Seção transversal da encosta norte da cidade de Santa Cruz do Sul.
450
500
Foto 3. Contato entre o solo coluvionar e o siltito.
Foto 4. Detalhe dos blocos de basalto.
Para determinação dos índices físicos do solo coluvionar foram coletadas amostras indeformadas em dois pontos
da encosta. No total foram 24 determinações de índices físicos quando da moldagem dos corpos de prova para os
ensaios geotécnicos. Também foram utilizados cilindros biselados para determinação da densidade do solo coluvionar e
do siltito. A Tabela 2 apresenta os resultados obtidos para determinação dos principais índices físicos para estes
materiais.
O colúvio apresentou índice vazios superior a 1,3; teor de umidade natural superior a 35% e peso específico
natural médio da ordem de 16 kN/m3. A camada basal formada pelo siltito vemelho apresentou um índice de vazios
médio inferior a 0,60, teor de umidade natural inferior a 20% e peso específico natural médio de 20 kN/m3.
Tabela 1. Resultados dos ensaios de caracterização.
Camadas
Profundidade
(m)
Areia
(%)
Silte
(%)
Argila
(%)
LL
(%)
LP
(%)
IP
(%)
0,5 –1
20
64
16
33
26
7
1 – 1,5
26
56
18
37
24
13
1,5 – 1,7
8
72
20
35
27
8
1,7 – 2
30
48
22
38
31
7
2 – 3,5
20
54
26
40
30
10
2,5 – 3
48
37
15
30
26
4
3,5 – 4
42
28
10
-
-
-
Camada
basal
18
72
9
32
27
5
Colúvio
Marrom
Siltito
Vermelho
Obs.: LL = limite de liquidez; LP = limite de plasticidade; IP = índice de plasticidade.
Tabela 2. Índices físicos do solo coluvionar e do siltito vermelho.
Camadas
Pontos
γ
(kN/m3)
γs
(kN/m3)
e
w
(%)
Sr
(%)
Colúvio
1
16,1
28,4
1,41
36,2
72,6
2
16,7
28,4
1,38
40,1
82,7
1
20,3
27,4
0,60
18,3
83,4
2
20,4
27,4
0,58
16,9
79,9
Marrom
Siltito
Vermelho
Obs.: γ = peso específico natural, γs = peso específico real dos grãos, e = índice de vazios,
w = teor de umidade, Sr = grau de saturação.
Ensaios de resistência
Foram realizadas 4 séries de ensaios de cisalhamento direto no solo coluvionar e no siltito da encosta. Em todos
os ensaios, os corpos de prova foram inundados por 12 horas antes da ruptura. A velocidade de cisalhamento adotada
para estes ensaios foi igual a 1,21 mm/min. As tensões normais aplicadas variaram entre 25 e 200kPa. Os corpos de
prova foram talhados em moldes metálicos quadrados biselados com dimensões de 5x5cm e 10x10cm. No solo
coluvionar foi executado uma série de ensaios triaxiais CD com corpos de prova reconstituídos (mesmo teor de umidade
e densidade). A Tabela 3 apresenta os parâmetros de resistência ao cisalhamento obtidos nesses ensaios. As envoltórias
de ruptura estão representadas na Figura 3.
Os parâmetros de resistência ao cisalhamento apresentaram uma certa variabilidade. O intercepto coesivo para o
solo coluvionar marrom variou entre 0 e 6,5kPa e o ângulo de atrito interno entre 28 e 34º. Para o siltito vermelho no
contato com o colúvio (solo retrabalhado) o intercepto coesivo variou entre 0 e 8kPa e o ângulo de atrito interno entre
26 e 34º. Os valores obtidos tanto para a camada coluvionar e para o siltito foram muito similares, apesar do siltito
apresentar um maior peso específico e um menor índice de vazios.
Tabela 3. Parâmetros de resistência ao cisalhamento para o solo coluvionar.
Camadas
Colúvio
Marrom
Siltito
Vermelho
Pontos
Coesão - c’
(kPa)
Ângulo de atrito - φ’
(°)
Tamanho do CP
(cm)
CD-1
0
34,2
5x5
CD-2
6,5
27,9
5x5
TR-1
0
32
5x10
CD-3
0
34,2
5x5
CD-4
8,2
26,2
10x10
160
180
CD-1
140
Tensão cisalhante (kPa)
Tensão cisalhante (kPa)
160
CD-2
120
TR-1
100
80
60
40
140
CD-3
120
100
CD-4
80
60
40
20
20
0
0
0
50
100
150
Tensão vertical (kPa)
200
250
0
50
100
150
Tensão vertical (kPa)
200
Figura 3. Envoltórias de resistência para o solo coluvionar e para o siltito vermelho.
250
INSTRUMENTAÇÃO E MONITORAMENTO
A instrumentação de campo consistiu da instalação de 4 medidores de nível d´água, 3 piezômetros e 2 tubos de
inclinômetro, conforme procedimentos recomendados por Dunncliff [2]. Os piezômetros (tipo Casagrande) foram
instalados nos furos de sondagem do SPT. Os medidores de nível d´água foram instalados em furos abertos a trado. As
poro-pressões e os níveis d´água foram monitorados entre novembro de 1999 a janeiro de 2002. A Figura 4 mostra a
variação do nível d´água com o tempo.
0
Nível de água (m)
M1
1
M4
M2
P2
2
P1
M3
3
4
P3
5
out-99
fev-00
mai-00
ago-00
nov-00
mar-01
jun-01
set-01
jan-02
Figura 4. Medidas nos piezômetros e medidores de nível d´água instalados na encosta.
Os dados de precipitação obtidos na estação meteorológica mais próxima da região de Santa Cruz do Sul nos
últimos 10 indicaram um valor mínimo de 1400mm (1991) e um valor máximo de 2170mm (1998). O ano de 1999 as
precipitações foram próximas do limite inferior, porém no ano de 2000 e 2001 foram próximas do limite superior
(2054mm e 1930mm). Durante o período de monitoramento as precipitações foram superiores a 200mm em 9 meses.
Em geral a partir do mês de julho as precipitações são mais intensas e influenciam as medidas dos piezômetros e
medidores de nível de água. É típico do estado do Rio Grande do Sul que as chuvas são bem distribuídas por todo o ano.
Na escarpa sul da Serra Geral, os valores médios de precipitação situam-se na faixa entre 1500 e 1800mm. Destaca-se
na região que as estações frias as chuvas em geral são prolongadas e de intensidade média a fraca, enquanto nas
estações quentes as chuvas são de curta duração, mas de grande intensidade.
A oscilação máxima do nível de água situou-se ente 0,4m e 1,25m. Os medidores verificaram o nível de água
mais superficial, principalmente relacionado com o solo coluvionar. Não foi verificado artesianismo na área de estudo.
Em março de 2001 foram instalados dois tubos de inclinômetro com o objetivo de medir os deslocamentos
laterais do solo coluvionar. As Figuras 5 e 6 apresentam o monitoramento até o mês de janeiro de 2002. Os valores
medidos foram superiores a 15mm, com acréscimos significativos após períodos de chuvas mais intensos. No
inclinômetro 1, situado na parte mais superior da encosta, visualiza-se claramente a formação de uma superfície de
ruptura no contato do solo coluvionar com o siltito vermelho da Formação Santa Maria. Este contato localiza-se a 6m
de profundidade. O inclinômetro 2, localizado na parte intermediária da encosta, onde a espessura do solo coluvionar é
menor, a superfície de ruptura situa-se a 3m de profundidade.
Nesta encosta em várias moradias construídas ao longo da rua Álvaro Correa da Silva surgiram patologias
associadas aos movimentos de rastejo e pequenos escorregamentos localizados. As Fotos 5 e 6 mostram as fissuras e
fendas abertas nos pisos e nas vigas de fundação.
ANÁLISE DE ESTABILIDADE
A análise de estabilidade foi realizada na seção transversal apresentada na Figura 3. O nível d’água considerado
na análise foi o máximo medido no período de monitoramento. O programa utilizado na análise de estabilidade foi o
PCSTABL (5M) da Universidade de Purdue [3]. Este programa usa rotinas baseadas em métodos de equilíbrio limite.
Nesta análise utilizaram-se os métodos de Bishop Simplificado e Janbu.
Os parâmetros do solo coluvionar e do siltito adotados para análise de estabilidade levaram em consideração os
resultados apresentados nas Tabela 3. Os resultados da análise estão apresentados na Tabela 4. Os parâmetros de
resistência ao cisalhamento médios encontrados para o solo coluvionar foram c´= 0kPa e φ´= 32º. Os resultados da
análise variando tanto a coesão como o ângulo de atrito em relação aos valores médios estão apresentados na Tabela 4.
Deformações (mm)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
Profundidade (m)
2
4
07/05/01
06/07/01
11/09/01
30/10/01
11/01/02
6
8
10
Figura 5. Deslocamentos medidos no tubo de inclinômetro 1.
0
5
10
Deformações (mm)
15
20
25
30
0
1
Profundidade (m)
2
3
07/05/01
06/07/01
11/09/01
30/10/01
11/01/02
4
5
6
7
8
9
Figura 6. Deslocamentos medidos no tubo de inclinômetro 2.
Foto 5. Patologia em moradia
Foto 6. Patologia em moradia
Tabela 4. Resultados da análise de estabilidade (c e φ do solo coluvionar).
φ´ = 28º
φ´ = 31º
φ´ = 34º
Bishop
1,10
1,24
1,39
Janbu
0,99
1,12
1,25
Bishop
1,21
1,36
1,51
Janbu
1,11
1,24
1,37
Bishop
1,33
1,47
1,62
Janbu
1,23
1,36
1,49
Fator de segurança
c´= 0kPa
c´= 3,25kPa
c´= 6,5kPa
O FS variou de 0,99 a 1,62 considerando o nível de água máximo medido in situ. Adotando os parâmetros
médios de resistência o FS situou-se entre 1,2 e 1,4. Este valor é bastante razoável em função das características do solo
e da análise de risco. Ao elevar-se o nível de água até a superfície do terreno (o que ocorre em alguns pontos da encosta
nas épocas de chuvas intensas) o FS cai para 1,0.
CONCLUSÕES
O presente projeto procura, portanto responder às necessidades de maior conhecimento sobre os fenômenos
regionais de instabilidade de taludes, considerando as características peculiares da geologia da região de Santa Cruz do
Sul. A encosta norte da cidade apresenta sinais evidentes de movimentação, danificando as moradias que foram
construídas acima da cota 90. Através da instrumentação verificaram-se movimentos superiores a 15mm em 1 ano, no
contato do solo coluvionar com o siltito vermelho da Formação Santa Maria. Esta formação devido a sua baixa
permeabilidade condiciona o fluxo de água nas encostas da região. Na análise de estabilidade obtiveram-se fatores de
segurança próximos da unidade quando o nível d´água na encosta coincidia com o nível do terreno.
REFERÊNCIAS
[1] Pinheiro, R.J.B. Estudo de alguns casos de instabilidade da encosta da Serra Geral no estado do Rio Grande do Sul.
Tese de Doutorado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul,
Porto Alegre, 2002, 240p.
[2] Dunnicliff, J. Geotechnical instrumentation for monitoring field performance. Ed. J. Wiley & Sons, New York,
1989.
[3] Achilleos, E. User guide for PC Stab 5M. Informational Report JHRP-88/10, Purdue University, 1988.