Capacidade de carga

2.3.2 Capacidade de Carga

As colunas granulares são compostas por materiais que não possuem coesão interna e que ao serem carregados verticalmente tendem a se deformar radialmente, diferentemente da coluna rígida. Esta deformação lateral é maior nas camadas superiores do solo mole onde as tensões horizontais “in situ” são menores. A figura 2.17 apresenta uma comparação entre os comportamentos de estacas rígidas e de estacas/colunas granulares. Da mesma forma que ocorre na estaca rígida, na coluna granular as forças verticais da coluna são equilibradas pela resistência de ponta e pelo atrito lateral.

Com a tendência de deformação radial da coluna há o aparecimento de uma tensão passiva no solo envolvente que é radial à coluna, chamada tensão de confinamento radial (σ_r).

Figura 2.17 – Comparação entre coluna rígida e granular

A seguir apresenta-se a pesquisa sobre os tipos de ruptura, parte do trabalho de qualificação para o doutorado de Lima (2012).

2.3.2.1 Tipos de ruptura (i). Colunas isoladas

Conjuntamente com o cálculo de recalques esperados, a avaliação da capacidade de carga da coluna de brita é de grande importância no uso de colunas granulares. Esta

avaliação se deve a necessidade de compatibilidade de deformações verticais excessivas.

Os primeiros mecanismos de ruptura de colunas granulares em solos compressíveis moles, quando estas estacas carregadas verticalmente e isoladas são:

• Excessiva expansão lateral (“bulging”) (2.18 (a));

• Ruptura por cisalhamento no topo da coluna (“shallow shear failure) (figura 2.18 (b));

• Insuficiência de resistência de ponta e atrito lateral (figura 2.18 (c)), válido tanto para colunas isoladas quanto para colunas em grupo;

Figura 2.18 – Tipos de ruptura (FHWA, 1983)

O primeiro tipo de mecanismo de ruptura “bulging” (embarrigamento) - expulsão lateral da coluna granular (figura 2.18 (a)) devido a insuficiência de confinamento lateral – segundo Dayte (1982) é o mecanismo mais condicionante para a ruptura. Este tipo de ruptura se dá numa determinada zona da coluna, situada próxima ao topo da coluna granular. Segundo o autor, essa ruptura ocorre em profundidade até 4 vezes o diâmetro da coluna. FHWA (1983) apresenta que essa ruptura ocorre em profundidades de 2 a 3 vezes o valor do diâmetro da estaca.

A ruptura por cisalhamento no topo da coluna (figura 2.18 (a)) se assemelha ao mecanismo de ruptura superficial de uma fundação rasa. Este tipo de mecanismo de ruptura pode ser evitado substituindo a camada superficial do solo por um material

mais competente (material granular bem compactado), ou, depositando uma camada de material de aterro sobre a coluna granular e seu entorno. Estas soluções visam o acréscimo de tensão vertical resistiva, bem como o aumento do ângulo de atrito da superfície de ruptura, aumentando assim o fator de segurança.

A verificação da capacidade de carga da coluna granular é semelhante à de uma estaca rígida. Deve-se verificar se a resistência lateral e de ponta apresentam um valor do fator de segurança (FS) compatível com o projeto. A ruptura por insuficiência da resistência lateral e de ponta é uma ruptura externa à coluna, que pode causar um deslocamento vertical nas estruturas apoiadas sobre estas. O diâmetro da coluna granular e seu comprimento são as principais características a serem modificadas para que não ocorra esse tipo de ruptura. No caso de estacas granulares flutuantes (não comuns no Brasil) a capacidade de carga deve ser bem estudada para que não haja excesso de deformações verticais. Nos casos mais correntes, onde a coluna de brita é assente em um substrato competente, as cargas transmitidas pela coluna, levando-se em consideração os diâmetros normalmente utilizados, são menores que as resistentes pelo solo de ponta.

FHWA (1983) descreve que o processo de ruptura de uma coluna granular sem encamisamento, em função da relação comprimento/ diâmetro da coluna, ocorre da seguinte forma:

Para colunas granulares com relação cumprimento diâmetro/ diâmetro, inferior a 4, a maior parte das tensões verticais na coluna serão transmitidas a ponta (visto que não há comprimento suficiente para mobilizar atrito ou coesão, lateralmente). Se o comprimento da coluna for muito pequeno e a tensão na base da coluna for superior a capacidade de carga de ponta, a ruptura por influência de capacidade de carga ocorrerá antes da ruptura por expansão lateral.

Para colunas granulares com comprimentos superiores a 4 diâmetros, a coluna tem sua carga basicamente resistida por atrito lateral, não havendo assim uma ruptura por capacidade de carga da coluna, sendo o condicionante para a ruptura a expansão lateral. Hughes e Withers (1974) comentam que em profundidade de 6 a 7 diâmetros, as tensões verticais na coluna são praticamente nulas, pois toda a tensão está sendo resistida por atrito lateral acima deste ponto. Assim, um aumento do comprimento da coluna granular não melhora a sua capacidade de carga. Esta afirmação deve ser verificada caso a caso, para as argilas moles do Rio de Janeiro o atrito lateral pode ser muito baixo.

Para colunas granulares com pontas em estratos rígidos, a resistência de ponta é normalmente suficiente, assim a possibilidade de ruptura seria devido à expansão lateral.

(ii). Colunas em grupo

FHWA (1983) comenta que colunas de brita em grupo apresentam (isoladamente) capacidade de carga ligeiramente superior quando comparada ao valor obtido em uma coluna isolada. Isto se deve ao fato de haver um confinamento das colunas centrais devido à existência de colunas em volta, aumentando a rigidez do conjunto.

A verificação se há insuficiência de resistência de ponta e atrito lateral também deve ser realizada em grupo de estacas. No caso de colunas de brita flutuantes deve-se verificar o recalque a ocorrer, semelhante ao caso de um grupo de estacas rígidas flutuantes.

Considerando-se um aterro de grandes dimensões sobre colunas de brita, há abaixo do aterro recalques relativamente uniformes das colunas de brita e do solo mole (FHWA, 1983). Pode também ocorrer, no caso de aterros do tipo rodoviário, um espraiamento dos recalques (recalques maiores na região central do aterro), parecidos com os observados em aterros sem colunas de brita (figura 2.19). Também deve ser verificada a estabilidade lateral do aterro.

Figura 2.19 – Recalque em aterro rodoviário

Ambily e Gandhi (2007) apresentam (figura 2.20) o formato de colunas carregadas isoladamente e em conjunto (carga rígida) durante um ensaio em escala em laboratório. Observa-se nesta figura que a coluna com toda a área carregada não possui um alargamento no topo. Etzad et al. (2009) discute o artigo apresentado por

Ambily e Gandhi (2007) e comenta que diversos autores apresentam que o tipo de ruptura por expansão lateral de colunas não é observado quando a taxa de substituição é maior que 10%, e que usualmente o modo de ruptura em colunas em grupo ocorre na forma de um cisalhamento cônico (figura 2.21).

Figura 2.20 – Deformações nas colunas após o carregamento (Ambily e Gandhi, 2007)

Figura 2.21 – Tipo de ruptura para um grupo de colunas (Etezad et al., 2009) Etezad et al. (2009) também comentam que em obras com taxa de substituição inferior a 10% a interação entre as colunas de brita pode ser negligenciada, assim as colunas terão comportamento igual a colunas isoladas.