Estudo da Frente de Umedecimento de um Solo Residual da
Cidade do Salvador-BA
Alexandre Cerqueira de Jesus, Sergio Barreto de Miranda
Graduandos em Engenharia Civil, Universidade Federal da Bahia, Salvador, Brasil
Luís Edmundo Prado de Campos
Universidade Federal da Bahia, DCTM, Laboratório de Geotecnia, Salvador, Brasil
Paulo Cesar Burgos
Universidade Federal da Bahia, DCTM, Laboratório de Geotecnia, Salvador, Brasil,
Universidade do Estado da Bahia, DCET, Salvador, Bahia
RESUMO: Analisando os diversos tipos de rupturas ocorridas na Cidade, avalia-se que a grande
maioria dos deslizamentos estão relacionados com o processo de infiltração de água de chuvas ou
esgotamento sanitário, uma vez que o nível de água no terreno, normalmente, se encontra superior a
10 metros de profundidade, quando os escorregamentos são da ordem de 4 a 5 metros de espessura.
Compreender o processo de infiltração da água no solo torna-se de grande relevância para os
estudos de processos de instabilização em ambientes urbanos. Este trabalho visa através de
investigações de campo e de laboratório avaliar o avanço da frente de umedecimento associado ao
comportamento da resistência do solo como fatores de instabilização do maciço associado a solos
residuais.
PALAVRAS-CHAVE: Frente de Umedecimento, Encostas, Solo não Saturado, Estabilidade e
Infiltração.
1
INTRODUÇÃO
Reconhece-se que o principal mecanismo de
instabilização das encostas não saturadas é a
ocorrência da infiltração da água no solo, a qual
esta associada a precipitação pluviométrica,
possibilitando a formação da frente de
umedecimento, gerando a redução da coesão
efetiva do solo e conseqüentemente a
diminuição da resistência ao cisalhamento do
solo.
O mecanismo de infiltração de água da
chuva nas encostas se caracteriza pelo processo
de fluxo de água de um meio saturado para um
não saturado. Santos (1992) reporta que o fluxo
de água em dois pontos destinos de um solo,
será
governado
pelo
potencial
total
(gravitacional e matricial) de natureza diferente,
uma vez que o movimento da água sempre
ocorrerá do ponto de maior potencial para o de
menor potencial. Este processo pode ser
descrito através da expressão matemática
proposta por Richards e apresentada por Vargas
Jr et al.(1992):
δ
δ xi


δψ
δψ
+ k ij (ψ ) = C (ψ )
k ij (ψ )
δ xj
δt


(1)
Como visto pela expressão 01 o fluxo da
água no solo não saturado, dependerá da
condutividade hidráulica, do solo [kij(Ψ)], bem
como de sua capacidade de retenção específica
do solo [C( Ψ)] e da carga hidráulica (sucção) [(
Ψ)].
Valiosas contribuições sobre o estudo do
processo de formação da frente de
umedecimento e o seu desenvolvimento para os
solos residuais tropicais, correlacionando a
velocidade da frente de umedecimento,
condutividade hidráulica, grau de saturação e
perda da sucção, foram realizados por diversos
autores, nota-se que o consenso existente nesses
trabalhos é que a velocidade do avanço da
frente de umedecimento é tanto maior quanto
maior o valor da umidade inicial, pois a
condutividade hidráulica é proporcional ao
aumento do grau de saturação, que devido a
infiltração da água no solo durante a ocorrência
da precipitação, a mesma expulsa ou dissolve o
ar contido dentro dos vazios do solo, formando
microcanais preferenciais e dessa maneira
aumentando a condutividade hidráulica.
Portanto, em meses que sucedem as
precipitações pluviométricas (estação chuvosa)
à frente de umedecimento pode atingir
espessuras maiores durante precipitações
inferiores e de curta duração, o que poderá
acarretar no processo de instabilização da
encosta conforme comenta Pedrosa (1994).
Elbachá et al (1992) avaliam que o histórico
anterior de precipitações tem um papel
importante para desencadear os processos de
escorregamentos, uma vez que eles tendem a
ocorrer quando o ciclo de chuva mostra altos
valores acumulados, sendo que para a cidade de
Salvador, verificou-se que a influência nos
escorregamentos é de quatro dias acumulados
de precipitações pluviométricas.
Nas encostas de Salvador a maioria dos
escorregamentos
se
sucedem
com
profundidades máximas de cinco metros, sem
atingir o lençol freático, o que corrobora com a
hipótese de que o mecanismo de instabilização
das encostas da Cidade do Salvador é
proveniente da infiltração de água.
Logo, o estudo dessa zona de influência de
escorregamento (profundidade de até cinco
metros), aliado ao mecanismo de infiltração da
água no solo torna-se de grande relevância para
os estudos de processos de instabilização em
ambientes urbanos, portanto foi escolhida uma
área de estudo cuja encosta possui um tipo de
perfil típico que ocorre na Cidade do Salvador.
2
ÁREA DE ESTUDO
A área em estudo compreende uma encosta com
declividade média de quarenta graus com um
desnível de aproximadamente trinta metros,
localizada no campo Experimental de Geotecnia
da Escola Politécnica da Universidade Federal
da Bahia.
A encosta foi esculpida no manto de
alteração do embasamento cristalino, formando
um solo residual de textura silto-argilosa com
espessura em torno de trinta metros.
3. PROGRAMA
GEOTÉCNICAS
DE
INVESTIGAÇÕES
Avaliar a influência da frente de umedecimento
perante a estabilidade da encosta depende
dentre outras coisas do conhecimento do regime
de fluxo de água durante e depois de um evento
pluviométrico bem como das características
geotécnicas da encosta.
Logo, com o intuito de avaliar a influência
da frente de umedecimento na instabilização da
encosta, realizou-se um programa de
investigações geotécnicas, através de ensaios de
campo e de laboratório a fim de obter os
parâmetros anteriormente citados.
3.1 Investigação de Campo
Foram realizadas três sondagens de simples
reconhecimento com a medida do N-SPT e
torque (SPT-T). Nesses ensaios verificou-se
uma fina camada inicial de aterro de textura
silto-argilosa com espessura inferior a setenta
centímetros e resistência a penetração final em
torno de 5 golpes com SPT-T em torno de 4
kgf.m. Após essa camada de aterro encontra-se
uma espessa camada constituída por silte
arenoso com
tonalidade
marrom e
compacidade
variando
de
mediamente
compacto a rijo com a profundidade.
As sondagens foram interrompidas com
cerca de dezesseis metros de profundidade, não
havendo até aquela profundidade o registro de
lençol freático.
Através das amostras recuperadas das
sondagens, foi possível determinar os teores de
umidades naturais encontrados em campo,
sendo apresentado o perfil típico da umidade do
solo juntamente com os valores de medida de
N-SPT na Figura 01:
0
10
20
30
40
50
Profundidade(m)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Condutividade Hidraulica (cm/s)
Indice de Resistência a Penetração (N) e Teor de Umidade
(w) versus Profundidade
1,000E+02
1,000E-04
1,000E-10
1,000E-16
1,000E-22
1,000E-28
1,000E-34
1,000E-40
1,000E-46
1,000E-52
1,000E-58
1,000E-64
1,000E-70
1,000E-76
1,000E-82
1,000E-88
1,000E-94
1,000E-100
Cota 3,50
1
18
10
-0,1748Ψ
N_SPT_SP01
w_SP01
N_SPT_SP02
w_SP02
Figura 01 – Perfil de teor de umidade e N-SPT do solo
Observa-se que o teor de umidade do solo
está oscilando entre 18 e 46%. Esses valores de
teor de umidade alta refletem o período em que
retirou as amostras (após um período chuvoso)
evidenciando, portanto o grau de retenção de
água que esse solo possui durante o período de
intensidade pluviométrica.
Para a avaliação da condutividade hidráulica
e sua relação com a condição não saturada do
solo, utilizou-se do permeâmetro de Guelph.
Os resultados da condutividade hidráulica
saturada em campo (kfs) e o potencial mátrico
(φm) foram obtidos a partir do método semianalítico de Laplace e Gardner (1958), sendo
apresentados na Tabela 1. Os valores de
condutividade hidráulica se situaram em uma
faixa em torno de 10-5 cm/s, revelando uma
homogeneidade do perfil em relação a essa
propriedade.
Tabela 1 – Coeficiente de Permeabilidade do Solo
Prof:
1
2
3
4
5
kfs
3,7E-5 7,4E-5 2,9E-5 2,9E-5 1,4E-5
¢m
8,5E-5 8,5E-5 4,2E-5 1,4E-4 8,5E-5
Nota:Unidade do Coeficiente de condutividade
hidráulica(kfs) e potencial mátrico(¢m) em cm/s
Gardner (1958) apresentou uma relação
empírica entre condutividade hidráulica
saturada (kfs) e a não saturada (kΨ), portanto
para as características apresentadas pelo solo
estudado, essa relação é representada na
expressão 2 juntamente com a curva de
condutividade hidráulica ilustrada na Figura 02.
K (Ψ ) = 2,96E −05e
−0 ,174ψ
(2)
Onde k(Ψ) é a condutividade hidráulica não
saturada e Ψ é a sucção matricial do solo.
Expon. (Cota 3,50)
k = 3E-05e
100
1000
Sucção(cm)
Figura 02 – Curva da condutividade hidráulica
3.2 Ensaios de Laboratório
A fim de caracterizar a zona de relevância do
maciço, no presente trabalho, foi implantado
um poço de coleta de amostras indeformadas
com cinco metros de profundidade retirando-se
a cada metro de escavação uma amostra a fim
de realizar os ensaios de laboratório.
A caracterização do solo foi feita em cada
amostra indeformada conforme as normas da
ABNT. A Tabela 2 a seguir apresenta um
resumo da caracterização das amostras retiradas
em campo.
Tabela 2 – Resumo dos resultados de caracterização dos
solos e classificação USCS.
Parâmetro
Amostra
Amostra
Amostra
01
02
03
Pedregulho(%)
2
1
3
Areia(%)
36
26
37
Silte(%)
26
41
37
Argila(%)
27
27
23
#200(%)
53
68
60
wL(%)
65
66
55
wP(%)
35
42
35
IP(%)
30
24
20
γs (Kn/m³)
26,9
27,4
27,8
γn (Kn/m³)
16,0
16,7
17,3
E
1,15
0,97
0,97
Sr (%)
66,46
77,39
71,78
n (%)
53,00
49,20
49,20
AC
0,57
0,35
0,33
USCS
MH
MH
MH
Obs: A amostra 01, 02 e 03 foram retiradas
respectivamente 2,3,e 5 metros de profundidade
Observa-se pelos dados da Tabela 2 que o
material se manifesta predominantemente fino
com uma fração representativa de areia. Os
valores encontrados para índice de vazios,
porosidade e peso específico são típicos de
solos residuais encontrados na região de
Salvador. Os valores de grau de saturação
refletem os teores de umidade encontrado em
campo, tendo o seu valor médio em torno de
60%. Segundo a classificação unificada
(USCS), as amostras se situam no grupo MH
(silte de alta plasticidade) e em relação a
proposta de atividade de Skempton (1953)
foram classificados como inativos (AC<0,75).
Avaliando os resultados obtidos na
caracterização bem como os resultados das
sondagens e os valores de condutividade
saturada do solo, é possível considerar que o
maciço em questão apresenta característica
geotécnica homogênea, principalmente dentro
da zona de relevância do presente trabalho.
Na Figura 03 são apresentadas as curvas
características dos solos da amostra 01 e 02
obtida através da análise dos dados dos ensaios
realizados para cada solo, conforme sugere
Gerscovich.(2001). Devido amostra 03 apresentar
característica semelhante ao 02, a mesma ficou
subtraída da figura 03.
A modelagem foi obtida através da equação
de Van Genuchten (1980), cujos parâmetros de
ajuste são mostrados na Tabela 3.
Tabela 4 – Parâmetros de resistência
Solo
Condição
c (kPa)
01
Natural
27,5
Saturado
9,8
02
Natural
33,8
Saturado
12,4
03
Natural
24,3
Saturado
15,4
φ (º)
35,6
33,6
28,3
31,6
29
27,7
Ratifica-se que o parâmetro que indica a
razão do aumento da resistência do solo não
saturado em relação à sucção é o parâmetro Øb
cuja determinação experimental é complexa,
além de seu valor não ser constante depende do
nível de sucção (De Campos,1992).
Para o presente trabalho avaliou-se que
tomando o parâmetro φb constante e igual a 20º
não traria nenhum problema para o presente
trabalho.
3.3 Dados Pluviométricos
0,55
Umidade Volumétrica(cm³/cm³)
capacidade de retenção corroboram para a
queda brusca da sucção devido à variação do
teor de umidade.
Através da talhagem de corpos de prova das
amostras indeformadas coletadas metro a metro,
foi possível realizar ensaio triaxial,sendo os
parâmetros de resistência apresentados na
Tabela 4:
0,5
0,45
0,4
0,35
0,3
1
10
100
1000
Sucção (Kpa)
amostra 01
amostra 02
Figura – 03 Curva característica do solo
Tabela 3 – Parâmetros hidráulicos dos solos
Amostra
a
m
n
01
30,19
0,88
5,91
02
31,17
0,79
4,90
C(Ψ)
0,60
0,63
Reconhece que o valor de capacidade de
retenção é um parâmetro muito importante na
estimativa da perda de sucção do solo não
saturado durante o avanço da frente de
umedecimento, onde os valores altos de
Como mencionado anteriormente é comum o
evento de deslizamentos estarem relacionados a
precipitações pluviométricas. Elbachá et al
(1992) afirmam que não é somente a
intensidade pluviométrica
do
dia
do
escorregamento que irá deflagrar o processo de
instabilização da encosta, é preciso considerar
os dias anteriores de precipitação como
influência efetiva no evento de escorregamento
devido ao estado prévio de saturação que o
mesmo se encontra provocado pelas chuvas
anteriores ao evento.
Com intuito de avaliar melhor a correlação
entre deslizamento e precipitação pluviométrica
o Laboratório de Geotecnia da UFBA
implantou uma estação pluviométrica nas
imediações do campo experimental. Na Figura
04 são apresentados os dados referentes a
precipitação máxima diária ocorrida durante o
ano de 2005.
resultados mostrado na figura 05.
80
60
Sucção(Kpa)
50
-120,00 -100,00
-80,00
-60,00
-40,00
-20,00
0,00
20,00
0,00
40
2,00
30
4,00
Profundidade(m)
Precipitação máxima diária(mm)
70
20
10
0
14/3
8/4
3/5
28/5
22/6
17/7
11/8
5/9
30/9 25/10 19/11 14/12
8/1
2/2
dia
Figura 04- Precipitação diária da área
6,00
8,00
10,00
1º dia
12,00
2º dia
14,00
3º dia
16,00
4° dia
Inicial
18,00
Figura 05 – Perfil de sucção versus profundidade
4. ANÁLISE E RESULTADOS
4.1 Metodologia
Para o estudo da influência da frente de
umedecimento na estabilidade da encosta foram
estabelecidas algumas premissas: Nível de água
profundo,regime de fluxo transiente,sucção
matricial inicial igual a 100 kPa, não
consideração do efeito Run Off .
Inicialmente, as precipitações foram
definidas de acordo com o modelo matemático
proposto por Elbacha et al (1992) para a Cidade
de Salvador que é apresentada a seguir:
I = 18373,06( AC ) −1, 258
(3)
Onde (AC) é a precipitação acumulada em
dias anteriores ao evento estudado e I a
intensidade horária (mm/h).
Em seguida levou-se em conta a precipitação
horária obtida para o quinto dia.
A data de 21 de junho de 2005 foi a
escolhida para o inicio da análise devido as
investigações do solo ocorrerem neste dia.A
demais os dias subseqüentes a retiradas das
amostras apresentaram níveis pluviométricos
próximo da média encontrada em Salvador o
que validaria portanto as análises feitas.
4.2 Simulações e Resultados
Partindo das premissas anteriores bem como
dos resultados de intensidade acumulada obtida
através da expressão 3 acompanhados dos
dados obtidos da estação pluviométrica para o
período de 21 a 25 de junho de 2005
apresentados na Figura 04, efetuou-se uma
análise de simulação do fluxo sendo os
Percebe-se inicialmente um nítido avanço da
frente de umedecimento até a profundidade de
quatro metros logo após as primeiras 24 horas
de chuva tendo um decréscimo da sucção em
torno de 15 por cento quando a profundidade é
de dois metros. No segundo dia de precipitação
ocorre uma variação da sucção mais acentuada
nos primeiros oito metros de profundidade,
enquanto, que a partir do terceiro dia
apresentam-se sucções nulas e pressão neutra
positiva na parte superior da encosta o que
evidencia o inicio do processo deflagração da
instabilização do talude.
A saturação plena do talude atingiu pouco
centímetros do perfil isso corrobora com o que
Santos(1992) e Campos (1984) afirmavam da
existência
de
diferentes
zonas
de
umedecimento.
O fator de segurança da encosta,
inicialmente o se encontra em torno de 12. Com
o início das precipitações pluviométricas, o
mesmo se reduz cerca de dez por cento e ao
chegar no quarto dia de precipitação atinge o
valor de 11,05
condizente com o
comportamento observado na Figura 05, onde o
avanço da frente de umedecimento provocou
uma redução da sucção matricial.
Tabela – 05 Variação do Fator de Segurança
FS
11,94 11,23 11,16 11,11 11,05
Data 21/06 22/06 23/06 24/06 25/06
5,25
26/06
Agora, levando em consideração a
precipitação acumulada dos quatro dias
proposta por Elbachá et al (1992) ocorre uma
súbita minoração do fator de segurança
atingindo valor igual 5,95 o que representa uma
perda entorno de cinqüenta e três por cento do
fator de segurança, enquanto que a sucção
atingiu valores em média de trinta por cento
mais baixo para o período avaliado.
Partindo para análise do quinto dia e levando
em consideração as precipitações obtidas pela
estação pluviométrica para as vinte quatro horas
desse dia, obtêm-se os seguintes valores de
fator de segurança:
Tabela – 06 Variação do Fator de Segurança
FS
6,25
6,00
5,81
5,67
5,45
Tempo 2:00
12:00 18:00 20:00 22:00
5. CONSIDERAÇÖES FINAIS
Os resultados das analise numéricas
apresentadas neste trabalho, apesar de empregar
algumas hipóteses simplificadoras revelou
resultados condizentes aos encontrados na
literatura, bem como o comportamento real dos
taludes da Cidade do Salvador.
Fica evidenciado que o processo de
infiltração de água no solo tem se tornado o
principal mecanismo de instabilização das
encostas e que a velocidade do avanço da frente
de umedecimento repercutir na deflagração do
processo de escorregamento.
Apesar da equação 4 apresentada por
Elbachá et al (1992) levar somente em
consideração a precipitação e eventos de
escorregamentos sem tomar em conta as
características geotécnicas, a mesma se mostrou
relativamente compatível com as análises
realizadas neste trabalho.
Apesar dos resultados encontrados se
mostrarem satisfatórios,salienta-se que é
importante que outros trabalhos sejam feitos na
tentativa de avaliar melhor a infiltração de água
no solo, bem como instrumentar uma encosta a
fim de poder validar as analises numéricas.
AGRADECIMENTOS
Os autores deste artigo expressam uma
profunda gratidão ao professor Tácio Campos
da Pontifícia Universidade Católica do Rio de
Janeiro (PUC-RIO) bem como a mestranda
Patrícia Santos Souza (MEAU/UFBA).
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