A construção de um aterro sobre argila pode gerar excesso de poropressão na argila e, consequentemente, causar problemas de estabilidade de taludes a curto prazo. Por esse motivo, é importante avaliar o fator de segurança considerando o comportamento da argila drenada (a longo prazo) e não drenada (a curto prazo). Esses diferentes fatores de segurança podem ser facilmente determinados usando software para elementos finitos a fim de realizar uma análise de segurança de redução de resistência.

Simplificação da análise de estabilidade de taludes

Para fazer uma análise de elementos finitos de um aterro sobre argila, os dados de entrada necessários são:

1.    Estratigrafia do solo,
   2.    Geometria do aterro,
   3.    Parâmetros geotécnicos dos materiais envolvidos.

Esses parâmetros variam de acordo com o modelo constitutivo adotado para cada material. Aqui estão alguns exemplos:

•  Módulo de Young e coeficiente de Poisson para rigidez;
  •    Coesão para resistência e peso unitário, entre outros.

O fluxo de trabalho de uma análise de elementos finitos deve seguir estas etapas:

1.    Definir a estratigrafia do solo;
   2.    Desenhar as estruturas relacionadas ao projeto geotécnico;
   3.    Criar a mesh de elementos finitos;
   4.    Definir as condições de fluxo;
   5.    Definir as fases de construção em etapas.

Após a conclusão dessas etapas, é possível realizar a análise geotécnica. Cada fase de construção é calculada separadamente e em sequência.

Estudo - exemplo de análise

O exemplo é um aterro de 4 metros (13 pés) de altura.

•  Os taludes são 1V:2H e 1V:3H construídos sobre uma fundação de argila;
  •    A largura do topo do aterro é de 13 pés metros (7 pés);
  •    O nível das águas subterrâneas está na superfície;
  •    Dois conjuntos distintos de parâmetros são definidos para a fundação de argila; um para o comportamento da argila drenada e outro para o comportamento da argila não drenada;

Figura 1. Modelo geotécnico do exemplo de estabilidade de taludes

 

Para analisar a estabilidade da argila drenada e da argila não drenada do problema, diferentes fases de cálculo são definidas:

Fase inicial: geração de tensões iniciais no campo antes da construção do aterro. Devido à superfície horizontal, o procedimento K0 pode ser usado para isso.

Primeira fase: cálculo de deformação plástica da construção do aterro sobre argila drenada.

Segunda fase: cálculo de deformação plástica do aterro sobre argila não drenada.

Para a análise de segurança de redução de resistência, duas novas fases são criadas; ou seja, a terceira fase, a partir da primeira fase, para uma análise de segurança da argila drenada, e a quarta fase, a partir da segunda fase, para uma análise de segurança da argila não drenada.

Os dados de saída, resultado da análise de elementos finitos das fases acima, são a deformação, os deslocamentos, as tensões, as poropressões e o fator de segurança para a fundação sobre argila drenada e argila não drenada. O mecanismo de falhas também pode ser visto nos dois casos.

Por exemplo, os deslocamentos indicam que o aterro se acomoda em todos os locais no caso da fundação sobre argila drenada, mas ocorre inchamento perto da base no caso da fundação sobre argila não drenada. Isso faz todo o sentido; não pode haver mudança de volume na fundação sobre argila não drenada. Portanto, se a subsuperfície se acomodar no meio devido ao peso do aterro, talvez ocorra inchamento em outro lugar, normalmente próximo ao aterro.

Figura 2. Mesh deformada após cálculo de deformação plástica de material drenado (superior) e não drenado (inferior)

Com relação à geração de excesso de poropressão, percebemos que nenhum excesso de poropressão é gerado na condição drenada, conforme o esperado. Para a condição não drenada, a localização, a intensidade e as direções principais do excesso de poropressão podem ser verificadas. Por exemplo, é possível ver que os maiores valores de poropressão ocorrem diretamente abaixo do aterro.

Figura 3. Excesso de poropressões após construção em subsolo sem drenagem

Os fatores de segurança obtidos são distintos para análise com e sem drenagem, e mostram o efeito do excesso de poropressão em fundações. Os deslocamentos máximos apresentados em análises de segurança não têm significado físico, pois dependem do número de etapas. Mais etapas de carga significariam que o cálculo levaria ainda mais a falhas gerando mais deslocamento. Mas, na realidade, um aterro com falhas restabeleceria um novo equilíbrio com deformações limitadas. No entanto, os deslocamentos incrementais na etapa final do cálculo são muito úteis, pois fornecem uma indicação do provável mecanismo de falha.

Figura 4. Mecanismo de falha após análise com (superior) e sem drenagem (inferior)

Os mecanismos de falhas indicados pela análise de segurança mostram que, com fundação com drenagem, a superfície crítica de deslizamento está localizada completamente dentro do aterro. Por outro lado, com fundação sem drenagem, a superfície de deslizamento crítica também passa pela fundação.

Figura 5. Avaliação do fator de segurança, material drenado (superior) e material não drenado (inferior)

Esse exemplo mostra como a análise de elementos finitos é uma ferramenta eficaz para avaliar a geração de excesso de poropressões e fator de segurança, pois fornece informações importantes para avaliar a conformidade com os padrões de segurança dos projetos geotécnicos.