Deslizamentos de terra representam um grande potencial de perda de vidas e danos à infraestrutura integral. É por isso que engenheiros geotécnicos dedicam muito tempo e esforço para evitá-los. Mas como insights e compreensão do solo podem ajudar em casos em que um deslizamento de terra já ocorreu?
Nesse caso, os engenheiros geotécnicos precisam de ferramentas que permitam compreender a causa do deslizamento de terra e as condições que podem gerar mais instabilidade.
Um método usado para compreender deslizamentos de terra é a análise numérica do talude que se rompeu. Ao realizar a análise numérica, os engenheiros geotécnicos exploram vários mecanismos de falha e desenvolvem uma hipótese sobre as causas mais prováveis do deslizamento.
É exatamente assim que a análise de estabilidade de taludes em 3D no GeoStudio está sendo útil no Vale do Rio Thompson, no Canadá, onde uma alta concentração de deslizamentos de terra afeta rotas de transporte importantes.
Visão clara para uma rota arriscada
O Rio Thompson perpassa a região central da Colúmbia Britânica, de Kamloops a Lytton, onde se encontra com o Rio Fraser. O vale circundante é essencial para o transporte, à medida que a Rodovia Trans-Canada e as ferrovias Canadian Pacific Railway e Canadian National Railway percorrem a extensão do rio. Algumas partes do vale do rio são largas, enquanto outras são relativamente íngremes devido à descida do rio. Os taludes laterais são, em grande parte, não saturados devido ao clima árido da região.
A estratigrafia regional foi influenciada por três eventos de glaciação distintos, com o leito rochoso recoberto por depósitos glaciolacustres, tilito e erupções glaciofluviais (Sattler, 2022). Os depósitos glaciolacustres também incluem camadas de argilas frágeis e não onduladas que contribuem para a instabilidade por serem superfícies deslizantes.
Vários deslizamentos de terra ocorreram ao longo do Rio Thompson devido aos taludes íngremes, ao baixo nível do lençol freático regional e à presença de camadas de argila frágil. Um deles, o deslizamento de terra de Ripley, está ativo, ou seja, a terra continua se deslocando, embora a uma vazão muito lenta de 2 a 82 mm por ano (Soltanieh e Macciotta, 2022). Consequentemente, vários estudos foram realizados em campo para monitorar o deslizamento e compreender as condições específicas que causam a instabilidade.
Deslizamento de terra de Ripley visto de cima (crédito: Kelvin Sattler)
Um levantamento eficiente com o uso de várias ferramentas
Os levantamentos no campo forneceram as informações necessárias para criar um modelo em 3D do deslizamento de terra de Ripley. As equipes coletaram dados de tecnologia LiDAR para definir a topografia detalhada da superfície, enquanto também realizavam mapeamento geofísico e de relevo, análise eficiente de subsuperfície e um programa de monitoramento de instrumentação.
O Dr. Kelvin Sattler, do Clifton Engineering Group, criou uma análise de estabilidade detalhada no PLAXIS LE como parte de sua pesquisa de doutorado. O objetivo desse modelo era realizar uma análise de estabilidade de equilíbrio limite e fazer um levantamento da influência da alteração das condições de poropressão.
O Dr. Sattler e sua equipe criaram o modelo geomecânico original em 3D com dados de tecnologia LiDAR para definir a topografia do campo. Eles também interpretaram a estratigrafia da subsuperfície com base em registros de furos de sondagem e mapas geofísicos e geológicos/de relevo. Por fim, eles definiram superfícies piezométricas usando medições dos níveis do rio e dados existentes. Segundo o Dr. Sattler:
”A análise do campo do deslizamento de terra de Ripley foi um desafio devido às complexas condições de poropressão e ao desejo de representar com precisão a infiltração na superfície do solo, bem como as alterações dos níveis do rio. Queríamos ter certeza de que tínhamos uma boa compreensão de como as condições não saturadas e a sucção afetavam a estabilidade no campo.
Os detalhes das análises originais de infiltração e estabilidade que o Dr. Sattler realizou no PLAXIS LE são ilustrados nas figuras a seguir.
Poropressões simuladas no PLAXIS LE (primeira semana)
Fator crítico de segurança simulado no PLAXIS LE (primeira semana)
Integração da análise no GeoStudio
Dada a descontinuação do PLAXIS LE (anunciada em 2023), recriamos o modelo numérico completo no GeoStudio para verificar os resultados, incluindo:
- análise de infiltração de águas subterrâneas de elementos finitos em 3D (SEEP3D) para gerar as condições hídricas complexas;
- análise de estabilidade de equilíbrio limite em 3D (SLOPE3D).
Para associar esses dois tipos de análise, foi necessária a geometria em 3D do GeoStudio. As superfícies foram ajustadas a superfícies de meshes importadas, representando a topografia e as superfícies de contato das unidades estratigráficas, conforme mostrado abaixo.
Observe que, ao realizar apenas a análise de equilíbrio limite em 3D no GeoStudio, as geometrias podem ser volumes em modelos geológicos (por exemplo, importação de arquivos OBJ ou do Leapfrog).
Importação de superfícies de contato, como mesh de plano de fundo, para o GeoStudio
Ajuste de uma superfície à mesh de plano de fundo
A análise de infiltração usou uma superfície piezométrica importada do campo do projeto como as condições hídricas iniciais. Semelhante ao modelo do Dr. Sattler, foram definidas duas condições de limites principais para representar (1) o nível do rio medido ao longo do tempo e (2) a infiltração na superfície do solo acima do rio.
Uma análise inicial de infiltração em 1D foi usada para avaliar o equilíbrio hídrico da superfície e a infiltração correspondente. Para isso, a condição de limite aplicada na superfície do solo avaliou as condições climáticas, incluindo precipitação, temperatura do ar, umidade relativa e evapotranspiração. A incorporação dessas condições pode ser fundamental para simular adequadamente a infiltração e as condições não saturadas. O fluxo de água calculado na superfície do solo foi aplicado como condição de limite acima do nível do rio na análise de infiltração em 3D.
Definição da análise de infiltração de águas subterrâneas
Definição da análise de estabilidade com cargas de sobrecarga de água e exibição da superfície de deslizamento totalmente especificada
Os resultados da análise de infiltração em 3D foram usados na análise de estabilidade em 3D para fazer um levantamento da estabilidade ao longo do tempo dadas as alterações das condições de poropressão. Assim como no PLAXIS LE, o método de busca Cuckoo está disponível no SLOPE3D do GeoStudio. Esse método foi usado para comparar os resultados gerais da análise do GeoStudio com o modelo PLAXIS LE original. Além disso, o método de busca totalmente especificado também foi usado no GeoStudio para replicar a superfície de deslizamento com o menor fator de segurança calculado com base no modelo original. Por fim, uma superfície frágil representou a presença de argilas frágeis e inchadas no campo.
GeoStudio em ação
A análise de infiltração em 3D forneceu resultados semelhantes ao modelo original do Dr. Sattler. O fator de segurança variou com a poropressão, porém, os resultados permaneceram próximos a 1 durante todo o período da simulação. Isso corrobora as observações do deslocamento contínuo no campo do deslizamento de terra de Ripley e vai ao encontro das descobertas do Dr. Sattler. A variação máxima no fator de segurança crítico foi de 15%, considerando o intervalo das condições de poropressão investigadas. Dr. Sattler acrescenta:
”A análise em 3D constatou que as alterações da poropressão contribuíram com pelo menos 4% para o fator geral de segurança, enquanto o efeito de reforço do rio aumentou o fator de segurança em pelo menos 11%. Consequentemente, a perda de sucção, somada aos baixos níveis do rio, levaria à desestabilização do talude no deslizamento de terra de Ripley.
Foram feitas observações semelhantes ao concluir o modelo criado no GeoStudio, destacando o aumento do nível de compreensão quando são usados métodos de análise em 3D para coletar dados das complexidades dos deslizamentos de terra naturais. O modelo criado no GeoStudio validou a observação de que o deslocamento do deslizamento de terra a cada ano provavelmente está relacionado a mudanças das condições de poropressão nos solos.
A superfície de deslizamento totalmente especificada sem otimização apresentou uma diferença de menos de 0,36% na análise realizada no PLAXIS LE
A superfície totalmente especificada com as configurações de otimização padrão teve menos de 5% de diferença com a análise realizada no PLAXIS LE
O método de busca Cuckoo mostrou um mecanismo de ruptura semelhante ao da superfície de deslizamento totalmente especificada, com um fator de segurança ligeiramente menor.
Melhor compreensão
O GeoStudio verificou o mecanismo de ruptura observado no deslizamento de terra de Ripley e confirmou que o fator de segurança crítico no intervalo aplicado de condições de poropressão permaneceu igual ou próximo a 1.
Os recursos integrais usados no GeoStudio para essa análise foram os seguintes:
- A capacidade de associar facilmente análises de infiltração e de estabilidade em 3D;
- O uso de camadas frágeis para definir uma descontinuidade;
- Métodos de busca disponíveis: a busca Cuckoo para analisar a área de ruptura crítica, bem como superfícies totalmente especificadas para replicar os resultados do PLAXIS LE.
Este projeto destaca os benefícios do uso de métodos de análise em 3D para compreender o comportamento de um deslizamento natural de terra com complexos componentes topográficos e de águas subterrâneas, bem como a integração perfeita dos produtos 3D do GeoStudio com os recursos anteriores do PLAXIS LE.
Referências
Sattler, K. 2022. Variable Suction and its Effect on Stability at the Ripley Landslide Near Ashcroft, Colúmbia Britânica. Universidade de Saskatchewan (tese de doutorado).
Soltanieh, A. e Macciotta, R. 2022. Updated Understanding of the Ripley Landslide Kinematics Using Satellite InSAR. Geosciences 12(8): 298. https://doi.org/10.3390/geosciences12080298
Agradecimentos
As seguintes empresas apoiaram a pesquisa acima mencionada sobre o deslizamento de terra de Ripley: NSERC, Railways Ground Hazards Research Program, Transport Canada, Serviço geológico do Canadá, CN e CPKC.