Criminal Justice and Detention 1
5.3 CRC REQUIREMENTS REGARDING DETENTION
Avaliação Granulométrica Inicial
O exame inicial do material de empréstimo revelou que se tratava de um solo residual constituído, nas camadas mais superiores, por uma argila plástica e mais abaixo por um solo areno-argiloso.
Os projetistas recomendaram que este material fosse aplicado preferencialmente a montante do filtro vertical e principalmente para preenchimento da trincheira de vedação e construção da ensecadeira.
Abaixo da argila plástica encontrava-se um solo residual arenoso, denominado popularmente de "saibro" recomendado para ser aplicado no restante da barragem, principalmente a jusante do filtro vertical.
De acordo com os projetistas, com essa disposição construtiva haveria uma redução ao mínimo do principal inconveniente da utilização de uma argila plástica numa barragem de terra, ou seja, a formação de poropressões elevadas logo após a construção, próximas as zonas de rupturas dos taludes mais íngremes. Por outro lado, salientaram como vantagens de sua utilização a grande resistência ao "piping", e de ser suficientemente plástica para não romper sobre os efeitos dos recalques diferenciais.
Limites de Atterberg
A classificação granulométrica não caracteriza de maneira completa o comportamento dos solos, pois a fração fina exerce uma importância fundamental em seu comportamento principalmente com relação à umidade (Sousa Pinto, C., 2006).
Na baragem de Capivari-Cachoeira, foram realizados ensaios para definição dos índices de consistência ou limites de Atterberg procurando se obter também uma indicação do tipo de partículas existentes no solo.
Os limites de Atterberg indicam, de acordo com o teor de umidade presente combinado com os minerais de argila, seu índice de consistência. Assim, conforme mostrado na Figura 4.10, quando o teor de umidade é muito baixo, o solo se comporta mais como um sólido, e de maneira oposta quanto o teor de umidade é muito alto, solo e água podem fluir como um líquido. Portanto o comportamento do solo pode ser dividido em quatro estados básicos e suas respectivas variações: sólido, semi-sólido, plástico e líquido. O limite de contração representa o teor de umidade percentual, no qual há a transição do estado sólido para o semi-sólido. O teor de umidade no ponto de transição do estado semi-sólido para o plástico é o limite de plasticidade e do estado plástico para o líquido é o limite de liquidez (Braja, 2007).
A Figura 4.10, apresenta de maneira genérica os limites de Atterberg dos solos (Braja, 2007).
Figura 4.10: Limites de Atterberg dos solos de acordo com Braja (2007).
Os ensaios executados nos materiais das áreas selecionadas como fontes para o aterro compactado da barragem, revelaram que em termos de índices de consistência a argila residual – cujo limite de liquidez pode ser fixado como superior a LL=50 e índice de plasticidade superior a IP=15 – ocorria até profundidades, em média de 10m. Abaixo dessa profundidade, o solo mostrava-se mais arenoso equivalente ao material denominado "saibro" – solo residual arenoso com argila, cujo limite de liquidez mostrava-se menor ou igual a 50% e o índice de plasticidade IP, equivalente ou maior do que 15%.
De maneira geral, o resultado dos ensaios revelou alta plasticidade dos materiais mais siltosos e silto-areno-argilosos e a passagem gradual, com a profundidade, para materiais mais siltosos e silto-arenosos, menos plásticos.
A Figura 4.11 apresenta a distribuição dos limites de Atterberg nas duas áreas de empréstimo, indicando que os materiais utilizados possuíam homogeneidade quanto a estas características.
Figura 4.11: Distribuição do limites de Atterberg, verificada para os materiais utilizados para o
aterro da barragem de Capivari-Cachoeira (Vargas e Hsu, 1966).
Uma estimativa preliminar do volume de solo disponível para execução da obra apontou que havia material suficiente para a construção da barragem e que os dois tipos classificados de maneira geral como "argila residual" e "saibro" ocorriam em proporções aproximadamente de 60% de argila e de 40% de saibro.
Análise Granulométrica dos Materiais
A Figura 4.12, apresenta os gráficos de distribuição do percentual da fração argila, presente nos solos que foram utilizados na compactação do aterro da barragem.
Figura 4.12: Distribuição do percentual de argila dos materiais utilizados no aterro da barragem de
Capivari-Cachoeira (Vargas e Hsu, 1966).
A análise da distribuição indica também que com relação à granulometria, os solos das duas áreas de empréstimo eram semelhantes. Em ambos as áreas, cerca de 80% das amostras indicaram uma porcentagem de argila (Ø<0,005mm) entre 10 e 30%. Já, o material pouco mais grosseiro denominado de saibro (LL≤50) apresentou teor em argila menor do que 25%. Pode-se também perceber pela visualização dos gráficos que o material que apresenta um limite de liquidez de LL≤75, corresponde a um solo com 15 e 50 % de fração argilosa.
Face aos resultados verificados para os índices de consistência e granulometria, os projetistas recomendaram limitar a aplicação dos materiais de ambas as áreas ao LL≤75 (fração argilosa neste caso entre 15 e 50%) o que corresponde a um material já em seu limite de plasticidade. A razão técnica justificada para esta limitação, estaria relacionada às dificuldades de compactação apresentadas por argilas muito plásticas.
Para a execução dos filtros, tanto da chaminé vertical como do tapete horizontal, a areia foi obtida do próprio rio Capivari e também em seus afluentes. A faixa granulométrica do material utilizado está exibida na Figura 4.13.
Figura 4.13: Faixas granulométricas dos materiais da base e do filtro utilizados na construção
da barragem da Capivari-Cachoeira (Sousa Pinto, N. 1971).
Os enrocamentos de montante e de jusante (vide Figura 4.9) foram executados com rocha oriunda das escavações do túnel de adução, cujo emboque distanciava-se cerca de três quilômetros do local da barragem. Verificou-se que o peso específico médio da rocha era de 27kN/m3 e a sua distribuição granulométrica seguiu de forma geral a seguinte distribuição: 55% do total lançado possuía volume menor que 15dm3; 15% entre15 e 80dm3 e 30 % com volumes superiores a 80 dm3.
Ensaios de Compactação (obtenção das curvas típicas)
granulometria e índice de plasticidade, permitiu distinguir basicamente três tipos de materiais que foram utilizados no aterro da barragem:
• uma fração constituída por argila-siltosa de coloração amarelada, que apresenta umidade ótima próxima a 29% e peso específico seco máximo Proctor Normal inferior a 15kN/m3, constituinte de 40% no volume compactado;
• uma fração, constituída por silte-argiloso de coloração amarronzada, que apresenta umidade ótima próxima a 24% e peso específico seco máximo Proctor Normal, entre a 15kN/m3 e16kN/m3 constituinte de 50% no volume compactado;
• e finalmente um silte-arenoso (porção denominada de saibro) com umidade ótima próxima a 17% e peso específico seco máximo Proctor Normal, entre a 16kN/m3 e 19kN/m3 constituinte, em linhas gerais, de 10% no volume compactado, mais a jusante.
A Tabela 4.1 apresenta de maneira resumida as características dos materiais utilizados na construção do aterro da barragem de Capivari-Cachoeira, quanto à granulometria dos materiais utilizados, bem como a umidade ótima e o peso específico seco obtido. Deve-se observar que o maciço foi construído com três materiais com características distintas. No maior volume lançado e compactado (90%) foi utilizado material com características argilo-siltosas e peso específico seco entre 15 e 16kN/m3.
Tabela 4.1: Resumo dos materiais utilizados para construção do aterro da Barragem de Capivari-Cachoeira
(Sousa Pinto, N., 1971)., modificado. Material Umidade Ótima
(%)
Peso Específico Seco (kN/m3)
Volume aproximado lançado no aterro da barragem (%) Argila-Siltosa amarela 26 14,8 40 - Região montante - central Silte-argiloso marrom 23 16,9 50 - Região montante - central
A Figura 4.14 apresenta as curvas de compactação típicas para os três tipos de materiais utilizados:
Figura 4.14: Curvas típicas de compactação para os três tipos de
material utilizados no aterro da barragem de Capivari-Cachoeira (Sousa Pinto N., 1971).
Os relatórios da época mencionam que uma das dificuldades técnicas importantes verificadas, na época da construção, foi a constatação de que os materiais de empréstimo apresentavam umidade natural entre 5 e 10% maior do que ótima (Sousa Pinto N., 1971). Este fato obrigou a adequação do material, necessitando de trabalhos de espalhamento para secagem antes de seu lançamento e compactação, ações dificultadas pelas características climáticas da região, que apresenta raros períodos prolongados e bem definidos de secas.
Isto refletiu em dificuldades extremas para se manter um ritmo elevado de produção na praça.
Pesos Específicos: Natural e Aparente saturado
A partir de ensaios em amostras indeformadas, os seguintes valores foram obtidos na barragem de Capivari-Cachoeira:
Para o aterro compactado:
• Solo não saturado: γn =19 kN/m3; • Solo saturado: γsat= 22 kN/m3;
Para os materiais da fundação:
• Solo não saturado: γn =16 kN/m3; • Solo saturado: γsat = 21 kN/m3;
Resistência ao Cisalhamento do Material Compactado
A resistência ao cisalhamento de uma massa de solo é a resistência interna por área unitária que a massa de solo pode oferecer para resistir a rupturas e deslizamentos ao longo de qualquer plano no seu interior (Braja, 2007).
Na barragem de Capivari-Cachoeira, após a execução dos ensaios de caracterização física, índices de consistência (limites de Atterberg) e ensaios de compactação (obtenção das curvas típicas), os projetistas selecionaram 05 (cinco) amostras que fossem representativas de toda a gama de variação dos materiais encontrados na área para verificação das características de resistência ao cisalhamento dos materiais selecionados.
A Figura 4.15 apresenta os limites de liquidez (LL) e índices de plasticidade (IP) das amostras selecionadas para execução dos ensaios de cisalhamento.
Figura 4.15: Gráfico de plasticidade das amostras selecionadas das áreas de empréstimo da barragem de
Capivari-Cachoeira, para ensaios de cisalhamento (Vargas e Hsu, 1966).
Foram executados ensaios de resistência nos materiais que seriam utilizados na construção do maciço e das fundações junto às ombreiras. Os ensaios escolhidos foram os do tipo cisalhamento direto e triaxiais rápidos com e sem pré-adensamento, tipo CU e UU, respectivamente.
A Tabela 4.2 apresenta os parâmetros médios de resistência obtidos para os diversos tipos de materiais compactados e também em função do tipo de ensaio realizado, do grau de compactação e umidade ótima, conforme a metodologia acima mencionada de maneira a determinar as características a serem utilizadas no cálculo de estabilidade da barragem.
Tabela 4.2: Parâmetros médios de resistência obtidos para os diversos tipos de materiais compactados da
barragem de Capivari-Cachoeira (Vargas e Hsu, 1966). Grau de Compactação
admitido (GC %)
Desvio admitido em relação à umidade ótima
(%Wot) Tipo de Ensaio Realizado Critério de Ruptura Mohr-Coulomb GC = 98% 100% Wot Triaxial (UU) - não adensado; - não drenado; - não saturado. τ = 1,0 + σ tg 12o GC = 98% 100% Wot Triaxial (CU) - adensado; - não drenado; - saturado. τ = 0,2 + σ tg 20o GC = 98% 100% Wot Cisalhamento Direto - saturado. τ = 0,1 + σ tg 28 o GC = 95% +2% Wot Triaxial (UU) - não adensado; - não drenado; - não saturado τ = 1,5 + σ tg 7o GC = 95% +2% Wot Triaxial (CU) - adensado; - não drenado; - saturado. τ = 0,3 + σ tg 17o GC = 95% +2% Wot Cisalhamento Direto - saturado. τ = 0,1 + σ tg 28 o
Em função dos resultados obtidos nos ensaios acima, foram adotados os seguintes valores para as envoltórias de resistência ao cisalhamento para o material compactado do aterro da barragem:
Para verificação da estabilidade em relação à ruptura do talude de jusante logo após a construção, foram considerados os parâmetros obtidos nos ensaios do tipo não adensado não drenado, em termos de tensões totais (UU). Para o critério de ruptura Mohr- Coulomb, considerou-se: τ = 1,0 + σ tg 13o (valor médio); τ = 1,5 + σ tg 7o (valor mínimo); τ = 1,0 + σ tg 4o
Para verificação da estabilidade em relação à ruptura do talude de montante logo após o rebaixamento rápido, foram considerados os parâmetros obtidos nos ensaios do tipo adensado não drenado, em termos de tensões totais (CU). Para o critério de ruptura Mohr-Coulomb, considerou-se: τ = 0,2 + σ tg 20o (valor médio); τ = 0,3 + σ tg 16o (valor mínimo); τ = 0,1 + σ tg 17o
(valor mínimo dos mínimos obtido em uma amostra isolada).
Resistência ao Cisalhamento do Material da Fundação
Para investigação das características dos materiais de fundação inicialmente aproveitou-se, para a obtenção de amostras, a abertura de três poços localizados ao longo do antigo eixo selecionado para construção da barragem de concreto (off-set do talude de montante da barragem de terra). Foi retirado um total de três amostras as quais somadas a outras também obtidas da região da fundação totalizaram vinte e cinco amostras, as quais foram submetidas a ensaios triaxiais tipo UU (ensaio rápido não adensado e não drenado) obtendo-se, a seguinte envoltória média, para os materiais de fundação:
τ = 1,2 + σ tg 18o
(valor médio);
Adicionalmente a esses ensaios, foram ainda executados ensaios de compressão triaxial também do tipo UU em quatro amostras indeformadas, duas que apresentavam características sílticas-arenosas (porção denominada de saibro) e duas com características mais argilosas, com limite de liquidez de 47 e 53 e índice de plasticidade de 21 e 26, valores característicos de solos residuais de rochas granitóides.
As envoltórias de resistência obtidas para as duas amostras dos solos mais argilosos foram:
τ = 0,8 + σ tg 15o
e de, τ = 0,6 + σ tg 10o
Para as amostras de solo com percentual pouco maior de areia (conhecida como saibro) as envoltórias obtidas foram:
τ = 0,5 + σ tg 21,5o
e de, τ = 0,5 + σ tg 26o
, resultado esperado, face às características texturais do material ensaiado.
Tais amostras foram submetidas também a ensaios do tipo CU (adensadas e não drenadas) com medida das poropressões para verificação dos parâmetros de resistência em função também das pressões efetivas além das tensões totais.
As envoltórias de resistência obtidas para as duas amostras dos solos mais argilosos foram, em termos de tensões totais:
τ = 0,1 + σ tg 16o
e de, τ = 0,5 + σ tg 12o
.
As envoltórias de resistência obtidas para as duas amostras dos solos mais argilo-arenoso, em termos de tensões totais:
τ = 1,0 + σ tg 12o
e de, τ = 0,5 + σ tg 19o
.
As envoltórias de resistência obtidas para as duas amostras dos solos mais argilosos em termos de tensões efetivas, foram de:
τ = 0,3 + σ' tg 24o
e de, τ = 0,3 + σ' tg 26o
.
As envoltórias de resistência obtidas para as duas amostras dos solos mais argilo-arenoso em termos de tensões efetivas:
τ = 0,5 + σ' tg 24o
. τ = 0,2 + σ' tg 28o
Face aos resultados, os projetistas adotaram para os cálculos as seguintes expressões para as envoltórias de resistência ao cisalhamento do material de fundação das ombreiras da barragem, em termos de tensões totais:
Para a fundação do talude de jusante, considerando ruptura logo após a construção, avaliada em função dos resultados obtidos nos ensaios tipo UU (rápido não adensado e não drenado - UU):
Valor médio: τ = 1,0 + σ' tg 13o
. Valor mínimo: τ = 0,6+ σ' tg 10o
.
Para a fundação do talude de montante, considerando ruptura logo após rebaixamento rápido após longo tempo de operação da barragem, avaliado a partir dos ensaios rápidos adensados em função dos resultados obtidos nos ensaios tipo CU (rápido não adensado e não drenado):
Valor médio: τ = 0,6 + σ' tg 15o
. Valor mínimo: τ = 0,1+ σ' tg 17o
.
Índice de Vazios, Adensamento e Permeabilidade do Material da Fundação das Ombreiras
Ensaios executados sobre amostras indeformadas retiradas da região da fundação das ombreiras da barragem, indicaram que o índice de vazios do material apresentou em média o valor de 1,07. Este valor de "e", definido como sendo a proporção entre o volume de vazios pelo volume de sólidos, mostra-se relativamente elevado (semelhante à de uma argila mole).
O coeficiente de permeabilidade de um solo pode ser definida como uma constante relativa a cada tipo de solo e que depende de vários fatores tais como viscosidade do fluido,
A Tabela 4.3, extraída de Craig (2007), apresenta valores típicos com relação aos coeficientes de permeabilidade para diferentes tipos de solos.
Tabela 4.3: Valores típicos de coeficientes de permeabilidade (m/s) para diferentes tipos de solos, de
acordo com Craig (2007).
A permeabilidade média da fundação, medida durante os ensaios de adensamento, (para uma pressão total de 8,0kgf/cm2) (784,53kPa) considerada a tensão máxima exercida pela barragem, registrou um coeficiente de permeabilidade de k = 3,8 x 10-6cm/s ou (k = 3,8 x 10-8m/s) ou compatível com solos síltico-argilosos com mais de 20% de argila, conforme a tabela 4.3.
Para os cálculos das vazões, a condutividade hidráulica pela fundação foi obtida a partir de ensaios de laboratório, variando-se a tensão aplicada, obtendo-se os seguintes coeficientes de permeabilidade, conforme a Tabela 4.4.
Tabela 4.4: Valores da permeabilidade em função da tensão de confinamento
aplicada para a fundação da Barragem de Capivari-Cachoeira (COPEL, 2009). Tensão de Confinamento (kgf/cm2) Coeficiente de Permeabilidade – k (cm/s) 8,0 (784,53 kPa) 3,8 x 10 -6 4,0 (392,26 kPa) 2,0 x 10 -5 1,0 (98,06 kPa) 5,0 x 10 -5
Desenvolvimento das Poropressões no Material Compactado
Com relação aos solos compactados, nas análises de final de construção, os projetistas consideraram uma redução na resistência ao cisalhamento devido ao excesso de poropressão, representado pelo parâmetro B.
O parâmetro B representa uma medida adimensional, definida como a relação entre o aumento da poropressão pela pressão de confinamento a que o solo está submetido, também chamado de coeficiente de poropressão (Craig, 2007). Foi estabelecido por Skempton (1954), sendo denominado de parâmetro de poropressão de Skempton (Braja, 2007).
B = ∆u/σ3, sendo:
∆u = excesso de poropressão σ3 = Tensão de Confinamento.
Normalmente para solos moles saturados, B possui valor aproximadamente igual a 1; já para solos rígidos saturados, o valor de B pode ser inferior a 1, isto é o desenvolvimento das poropressões induzido pelo carregamento é inferior a tensão de confinamento a que o solo está submetido.
Massad (2003) menciona que a determinação das poropressões para uma barragem de terra pode ser obtida pela expressão B = u / σV, sendo "u" a poropressão num ponto
qualquer do aterro, a uma profundidade qualquer; e σV o acréscimo de tensão total no
ponto considerado. Para barragens de terra, a taxa da poropressão dada por ru = u / γ.z
representaria o valor aproximado de B, sendo z a profundidade considerada.
Na fase de projeto, para o cálculo da estabilidade da barragem de Capivari-Cachoeira foram feitas medidas das poropressões, durante os ensaios triaxiais, em cinco amostras selecionadas para os ensaios. Dois casos foram analisados:
Medidas das poropressões desenvolvidas a partir da aplicação de uma tensão confinante constante, ou seja: σ1 = σ3, procurando-se representar a situação da barragem logo após
a construção.
Na condição da umidade ótima e 98% do proctor normal de compactação, o valor médio verificado da relação B = u / σ3 para σ3 = 4 kg/cm2 (392,26 kPa) (condições médias de
tensão de confinamento na barragem), foi de 0,14.
O máximo valor obtido dessa relação foi observado nas condições de umidade 2% acima da ótima e grau de compactação de 95%, para a média de cinco amostras, resultando em B equivalente a 0,35, para a mesma condição de confinamento (σ3).
O valor mínimo registrado para a condição de umidade ótima 2% abaixo da ótima e grau de compactação de 98% foi de 0,07 para as mesmas condições de confinamento.
O relatório de análise dos ensaios menciona que os resultados registraram o desenvolvimento de poropressões produzidas pelas deformações no momento em que se verificou ruptura em duas das cinco amostras típicas selecionadas, após a estabilização das deformações provenientes do confinamento, recomendando que tal condição fosse considerada na análise da estabilidade dos taludes, sob condição de rebaixamento rápido, algum tempo após a entrada de operação da barragem.
Tais amostras registraram para uma tensão confinante de σ3 = 4kg/cm2 (392,26kPa) o
valor médio da poropressão, de 1,9kg/cm2 (186,32kPa) para o grau de compactação de 98% em relação ao Proctor Normal tanto na umidade ótima como 2% acima desta. Ambos os corpos de prova romperam com σ1 = 8,5kg/cm2 (833,56kPa). Estes valores
indicaram que a relação do parâmetro B em relação à tensão normal principal (u / σ1),
foi de 0,22. Tal valor confirma que o desenvolvimento das poropressões seria inferior às tensões de confinamento.
Desenvolvimento das Poropressões na Fundação
Foram executados ensaios do tipo compressão triaxial em quatro amostras indeformadas, adensadas, retiradas da fundação com medida das poropressões.
Para σ3 equivalente a 4kg/cm2 (392,26kPa), o σ1 médio obtido no ensaio foi de 7,4kg/cm2
(725,69kPa) e a poropressão observada no momento da ruptura foi registrada em u = 1,2kg/cm2 (117,68kPa) resultando no valor do parâmetro B (u / σ1),igual a 0,163.
Face aos resultados obtidos pelos ensaios, os projetistas adotaram os seguintes valores para o parâmetro B, os quais foram posteriormente utilizados nos cálculos da estabilidade da barragem:
Em termos de tensões efetivas, para o caso de rebaixamento rápido, o valor foi fixado em B = 0,25, tanto para o material do aterro compactado como para o solo de fundação, contra 0,225 e 0,163 obtido nos ensaios, respectivamente.
Para o caso de verificação da estabilidade do talude de jusante, em termos de tensões efetivas, o parâmetro B adotado foi de B = 0,5 considerado para o caso de deficiência na compactação e no controle de umidade e considerado de B = 0,1, para o caso de um bom controle para ambos.
Cálculo da Estabilidade da Barragem
A análise de estabilidade da barragem de Capivari-Cachoeira foi realizada em termos de tensões totais. Esta análise leva em consideração a geração de excesso de poropressões, considerando dessa forma a estabilidade sob condições não-drenadas.
Para a verificação da estabilidade, o cálculo foi efetuado com o auxílio de um programa computacional na Universidade de São Paulo (USP), sendo avaliados os taludes de montante e de jusante pela seção central da barragem e também as seções pelas ombreiras, de acordo
Basicamente foram calculadas, em termos de tensões totais, as coesões necessárias para a estabilidade desses taludes, sob um determinado fator de segurança, para ângulos de resistência ao cisalhamento variando entre 5o e 25o utilizando o Método das Fatias.
A expressão utilizada buscando o fator de segurança mínimo de 1,5, foi: