Cálculo de Assentamentos

No ramo da Engenharia Civil os solos de fundação, inicialmente são abordados em relação à sua capacidade de carga, ou seja, se suportam a tensão que irá ser empregue sem que entrem em rotura. Após verificar a capacidade de carga, é necessário avaliar as deformações dos maciços como consequência das ações que recebem da estrutura.

As deformações dos maciços conduzem a assentamentos das fundações de construções, e em casos de edifícios, pontes, torres, silos e estruturas de elevado custo assumem particular importância, sendo necessário verificar a compatibilidade dos assentamentos em relação às exigências funcionais e estéticas das construções.

Em solos sedimentares, os assentamentos existem sempre; surge então a necessidade de avaliar se esses são admissíveis. Assim, segundo Ferreira Gomes (2013), os assentamentos admissíveis de uma estrutura é a quantidade de assentamento (deslocamento vertical) que essa estrutura pode tolerar. Os assentamentos podem assim ser limitados, mesmo quando a rotura não é eminente, por três razões:

i) estética da edificação; ii) utilização da edificação; iii) danos estruturais.

Na Figura 2.38 podem-se observar diferentes situações em consequência de assentamentos. Os assentamentos admissíveis dependem de muitos fatores incluindo, tipo, tamanho, localização e fim previsto da estrutura, bem como o tipo de terreno.

Figura 2.38 - Tipos de situações em assentamentos: a) assentamento uniforme; b) assentamento não uniforme em estrutura rígida, com inclinação; c) assentamento não uniforme em estrutura flexível (Ferreira Gomes, 2013).

De acordo com Ferreira Gomes (2013), quanto mais lentamente se desenvolverem os assentamentos, maiores serão os assentamentos que uma estrutura é capaz de suportar sem sofrer danos, devido à deformação lenta da estrutura. Portanto, os critérios de assentamentos

são diferentes para estruturas fundadas sobre areias e fundadas sobre argilas, permitindo assentamentos de maior magnitude nas argilas, por se verificarem mais lentamente que nas areias.

Para estruturas normais com fundações isoladas, são geralmente aceites assentamentos totais até 50 mm. Assentamentos de maior magnitude podem ser aceites desde que as rotações relativas permaneçam dentro dos limites aceitáveis e desde que os assentamentos totais não causem problemas da utilização em serviço (Bonde et al., 2013). A Tabela 2.7 fornece os valores aceitáveis dos assentamentos em estruturas.

Tabela 2.7 - Valores limites de deformações para evitar danos em estruturas (Lambe & Whitman, 1979).

Segundo Ferreira Gomes (2013) os assentamentos no domínio da Mecânica dos Solos clássica e Engenharia de Fundações são em geral considerados como a soma de várias componentes, como representado na equação (2.17):

Onde:

• S, é o assentamento total;

• 𝑆𝑖, é a componente do assentamento instantâneo;

• 𝑆𝑃, é a componente do assentamento primário;

• 𝑆𝑆, é a componente do assentamento secundário.

Cada uma das três parcelas está relacionada com a compressibilidade dos solos, sendo as duas últimas mais relacionadas com a consolidação dos solos após aplicação da carga., cujo cálculo será especificado posteriormente.

2.8.5.2. Assentamentos Instantâneos

Em relação ao cálculo dos assentamentos instantâneos, estes são calculados utilizando formulários baseados na teoria da elasticidade, que para além de envolverem o módulo de deformabilidade (𝐸𝑆) e o coeficiente de Poisson (μ) do solo envolvem de um modo geral

parâmetros relacionados com o tipo de fundação, sua forma em planta e profundidade (Ferreira Gomes, 2013). Os métodos de cálculo deste tipo de assentamentos, além de apresentados em Ferreira Gomes (2013), podem ser consultados em outros autores como Bowles (1997).

2.8.5.3. Assentamentos Primários

Os assentamentos primários são aqueles que acontecem por consolidação do terreno, ocorrendo imediatamente após o final dos assentamentos instantâneos.

Para calcular os assentamentos primários existem vários formulários na literatura, no entanto, apresenta-se o sugerido por Ferreira Gomes (2013), representado na equação (2.18). Aconselha-se o acompanhamento da Figura 2.39, em auxílio à compreensão do processo de cálculo. 𝑆𝑃= ∑(𝛥𝑒𝑖/(1 + 𝑒0)) × 𝛥ℎ𝑖 𝑛 𝑖=1 (2.18) Onde:

• 𝛥𝑒𝑖, é a variação do índice de vazios em cada subcamada 𝛥ℎ𝑖;

Figura 2.39 - Esquema gráfico para facilitar o cálculo dos assentamentos primários numa camada de argila de espessura H (Ferreira Gomes, 2013).

Ferreira Gomes (2013), sugere que a metodologia a seguir seja a seguinte: 1. Subdividir a camada de espessura H em n subcamadas de espessura 𝛥ℎ𝑖;

2. Calcular as tensões verticais efetivas (σv´) para a posição intermédia de cada

subcamada, antes do incremento de carga;

3. Calcular os acréscimos de tensões efetivas finais (Δσv´) para a posição

intermédia de cada subcamada:

4. Calcular a variação do índice de vazios para cada subcamada (Δe).

É nos pontos 3 e 4 que os parâmetros de compressibilidade ganham especial importância, nomeadamente o Cc e o Cr. No cálculo da variação do índice de vazios de cada

subcamada, 𝛥ℎ𝑖, é importante saber se o acréscimo de tensão efetiva somado com a tensão

efetiva vertical de repouso ultrapassam ou não a tensão de pré-consolidação, e para isso é importante analisar a Figura 2.40.

Se o solo for normalmente consolidado, ou seja, em que a 𝜎′0= 𝜎𝑝, implica

naturalmente que qualquer incremento de carga faça com que a tensão efetiva vertical final seja superior à tensão de pré-consolidação (𝜎′0+ 𝛥𝜎′> 𝜎𝑝), Figura 2.40 a). Assim, a equação

(2.19) é a utilizada para o cálculo da variação do índice de vazios.

Figura 2.40 - Esquemas de auxílio à compreensão do cálculo de assentamentos primários, com carregamento de solos normalmente consolidados (a) e solos sobreconsolidados (b,c), adaptado de Ferreira Gomes (2013).

No caso de o solo ser sobreconsolidado, ou seja, em que 𝜎′0< 𝜎𝑝, pode acontecer duas

situações distintas, como sugerido na Figura 2.40 b) e c), dependendo da magnitude da soma do acréscimo de tensão efetiva com a tensão efetiva vertical de repouso.

Se 𝜎′0+ 𝛥𝜎′< 𝜎𝑝, então o parâmetro a utilizar no cálculo da variação do índice de vazios

é o índice de recompressão, como apresentado na equação (2.20).

Caso 𝜎′0+ 𝛥𝜎′> 𝜎𝑝, o solo irá sofrer uma recompressão e uma compressão, assim a

equação (2.21) que permite calcular a variação do índice de vazios nestas circunstâncias engloba uma parcela dependente do índice de recompressão, e outra dependente do índice de compressão.

𝛥𝑒𝑖= 𝐶𝑟log[𝜎𝑝/𝜎′0] 𝑖 + 𝐶𝑐log[𝜎𝑓/𝜎𝑝] 𝑖 (2.21)

2.8.5.4. Assentamentos Secundários

Os assentamentos secundários, intrinsecamente ligados à consolidação secundária dos maciços, têm início imediatamente após o término dos assentamentos primários. A equação (2.22) é usada para o cálculo dos mesmos.

𝑆𝑠= 𝐶𝛼× 𝐻𝑡𝑠× log(𝑡/𝑡𝑃) (2.22)

Onde:

• 𝐶𝛼, é o coeficiente de consolidação secundária;

• 𝐻𝑡𝑠, é a espessura da camada no inicio da consolidação secundária;

• 𝑡, é o tempo para o qual se pretende calcular o assentamento secundário; • 𝑡𝑃, é o tempo correspondente ao final da consolidação primária.

Em termos médios, o tempo necessário para que os assentamentos primários se processem numa camada drenada por ambos os lados, é calculado por (Ferreira Gomes, 2013):

𝑡𝑝= 𝑇(𝐻𝐷𝑃)2/𝑐𝑣 (2.23)

Onde:

• 𝑇, é um parâmetro adimensional designado por “fator tempo” e que depende do grau de consolidação médio, U,

• 𝐻𝐷𝑃, é a altura de drenagem, corresponde à máxima distância que uma partícula de

água percorre até à superfície drenante; • 𝑐𝑣, é o coeficiente de consolidação do solo.

O “fator tempo” é retirado do gráfico da Figura 2.41, sendo que em situações correntes admite-se que os assentamentos primários acabaram quando o grau de consolidação corresponde a 90%.

Figura 2.41 - Fator tempo em função do grau de consolidação médio (U) de uma camada argilosa, adaptado de Ferreira Gomes (2013).

CAPÍTULO 3

3. METODOLOGIA

3.1. Preâmbulo

A metodologia seguida para o desenvolvimento dos trabalhos que culminaram no presente documento, resume-se sucintamente nas seguintes partes:

i) Pesquisa bibliográfica;

ii) Amostragem (Trabalho de campo);

iii) Ensaios de Laboratório;

iv) Estudos de Gabinete (Tratamento de dados).

3.2. Pesquisa Bibliográfica

A pesquisa bibliográfica efetuada incidiu essencialmente em duas partes: inicialmente procurou-se entender a formação dos solos sedimentares, dando especial importância aos depósitos de solos moles; numa segunda fase, as pesquisas centralizaram-se na compressibilidade e processo de consolidação dos solos sedimentares. Nesta última parte, deu- se importância aos trabalhos realizados nesta área, especialmente na determinação do coeficiente de consolidação secundária, Cα, que é imprescindível para a estimativa dos

assentamentos secundários em solos sedimentares orgânicos.

3.3. Trabalho de Campo

Com o objetivo de realizar os ensaios edométricos, foi necessário recolher amostras de solo no local em estudo. Existem dois grandes grupos de técnicas de prospeção “in situ”: as técnicas manuais e as técnicas mecânicas. As técnicas manuais são utilizadas para prospeção e recolha de amostras a pequena profundidade, não exigindo grande esforço do executante. Por sua vez, as técnicas mecânicas, são utilizadas para recolher amostras em profundidade, e tal como a designação indica são executadas com auxílio de meios mecânicos. Exemplos de sondagens mecânicas são: trados motorizados, sondagens à percussão, à rotação, à rotopercussão, de entre outras. A Figura 3.1 apresenta alguns equipamentos ligeiros de prospeção geotécnica de uso manual, para recolha de amostras em solos a baixa profundidade.

Figura 3.1 – Esquema com alguns equipamentos ligeiros de prospeção geotécnica de uso manual para efetuar a amostragem (Ferreira Gomes, 2001).

Além dos equipamentos referidos, manualmente também se usam sacholas, picaretas, pás de diferentes formas, espátulas, facas, e fios de viola, ou até amostradores especiais cravados estaticamente ou à percussão.

Foi com auxílio de pás e espátulas que se efetuaram duas amostras do tipo bloco, o mais indeformadas possível, transportadas em sacos plásticos, até ao laboratório de Mecânica dos Solos da UBI. As amostras designam-se por: Amostra 1- Salinas, e Amostra 2 – Cacia.

3.4. Ensaios de Laboratório

Os ensaios laboratoriais foram executados no Laboratório de Mecânica dos Solos, do Departamento de Engenharia Civil e Arquitetura, nas instalações da Faculdade de Engenharia da Universidade da Beira Interior.