Capacidade de carga da fundação

Ao submeter uma estaca a um carregamento vertical, serão mobilizadas tensões resistentes por resistência lateral (RL), entre o solo e o fuste da estaca, e

tensões resistentes normais a base, ou ponta da estaca (RP), conforme representado

na Figura 12. De acordo com Cintra e Aoki (2010), para solos argilosos a resistência no fuste se dá por adesão, e para solos arenosos por atrito, porém predomina a expressão atrito lateral independentemente do solo.

Figura 12. Representação das parcelas da resistência de uma estaca

Fonte: Cintra e Aoki, 2010 Ainda conforme os autores, a parcela referente a ponta é a multiplicação da resistência de ponta (rp), em unidade de tensão, pela área de ponta (A), conforme a

equação 5. A parcela de atrito é definida como a multiplicação do perímetro do fuste (U) por um somatório da resistência lateral nos diversos segmentos da estaca (rL x ΔL), conforme a equação 6. A resistência total (R) se dará pela soma de RL e RP

(equação 7).

RP = rp A ( 5 )

RL = U Σ (rL ΔL) ( 6 )

R = RL + RP ( 7 )

A capacidade de carga de uma estaca pode ser realizada por métodos diretos ou indiretos. No primeiro, os parâmetros de resistência são determinados através de correlações com resultados de ensaios de investigação geotécnica. Enquanto nos métodos indiretos, além dos dados de ensaios, são utilizadas formulações teóricas ou experimentais (DÉCOURT et al., 1998).

No Brasil, difundiu-se a prática de relacionar a capacidade de carga de estacas com as medidas de NSPT, através de métodos semi-empíricos de cálculo da

capacidade de carga. Conforme exposto por Schnaid e Odebrecht (2012) e por

Décourt et al, 1998, isto se deu pelas dificuldades de se estimar os parâmetros do solo e a grande influência destes no cálculo teórico de capacidade de carga. Além disso, Velloso e Lopes (2010) destacam que o SPT é a sondagem geotécnica mais difundida e realizada no Brasil, sendo uma preocupação constante dos profissionais de fundações estabelecer métodos de cálculo da capacidade de carga de estacas

utilizando os resultados deste tipo de sondagem. Ainda segundo os autores, os principais métodos semi-empíricos utilizados no Brasil são: Aoki-Velloso (1975), Décourt-Quaresma (1978) e Teixeira (1996), além de outros para casos específicos.

2.3.2.1 Método Aoki-Velloso

A teoria para estimativa da capacidade de carga pelo método Aoki-Velloso é baseada em uma correlação com o ensaio CPT. De acordo com Aoki e Velloso (1975), a resistência de ponta do cone (qc) é relacionada a incógnita geotécnica de resistência

de ponta da estaca (rp) e a resistência lateral obtida no ensaio de cone (fS) é relacionada com a resistência lateral da estaca (rL). Desta forma, as incógnitas

geotécnicas são definidas conforme as equações 8 e 9. rp = qc F1 ( 8 ) rL = fs F2 ( 9 )

As variáveis F1 e F2 são fatores de correção para considerar a diferença de escala do ensaio de cone para uma estaca. De acordo com Cintra e Aoki (2010), após a publicação do método, os fatores foram aprimorados ao longo do tempo, resultando nos valores definidos na Tabela 1.

Tabela 1. Fatores de correção F1 e F2

Tipo de estaca F1 F2

Franki 2,50 2 F1

Metálica 1,75 2 F1

Pré-moldada 1 + D/0,8 2 F1

Escavada 3,00 2 F1

Raiz, Hélice contínua e Ômega 2,00 2 F1

Fonte: Cintra e Aoki, 2010 Devido ao ensaio SPT ser mais utilizado no Brasil, Aoki e Velloso (1975) propuseram uma correlação entre o CPT e o SPT por meio de fator de conversão da resistência de ponta (K), conforme a equação 10.

qc = K NSPT (MPa) ( 10 )

A partir desta conversão e da razão de atrito (α), é possível definir também o atrito lateral em função no NSPT (equação 11).

α = fs

Com base em valores da literatura e experiência, os autores Aoki e Velloso (1975) propuseram também a utilização da Tabela 2, que relaciona o tipo de solos com os fatores K e α. Assim, através da caracterização tátil-visual do solo realizado no ensaio SPT é possível definir os parâmetros K e α e calcular a capacidade de carga da estaca.

Tabela 2. Coeficiente K e razão de atrito α

Solo K (MPa) α(%) Areia 1,00 1,4 Areia siltosa 0,80 2,0 Areia siltoargilosa 0,70 2,4 Areia argilosa 0,60 3,0 Areia argilossiltosa 0,50 2,8 Silte 0,40 3,0 Silte arenoso 0,55 2,2 Silte arenoargiloso 0,45 2,8 Silte argiloso 0,23 3,4 Silte Argiloarenoso 0,25 3,0 Argila 0,20 6,0 Argila arenosa 0,35 2,4 Argila arenossiltosa 0,30 2,8 Argila siltosa 0,22 4,0 Argila siltoarenosa 0,33 3,0

Fonte: Aoki e Velloso, 1975 A fórmula final do método para calcular a capacidade de carga (R) da estaca é expressa pela equação 12, na qual NP é o NSPT na cota de apoio da estaca e NL é o

NSPT médio da camada de solo de espessura ΔL.

R = AP

K Np F1

+

U

F2 Σ (α K NL ΔL) ( 12 )

Com relação ao fator de segurança Aoki e Velloso (1975) propõe a utilização de um fator global de 2, ou seja, a carga de solicitação deve ser menor que R/2.

2.3.2.2 Método Décourt-Quaresma (1978)

O método Décourt-Quaresma apresenta um procedimento para o cálculo da capacidade de carga de estacas com base nos parâmetros obtidos no ensaio SPT. Inicialmente, o método foi desenvolvido para estacas de deslocamento, e após estudos complementares foi possível aplicá-lo a outros tipos de estacas (DÉCOURT et al., 1998).

De acordo com Cintra e Aoki (2010), para aplicar o método é necessário que o NSPT ao longo do fuste esteja entre 3 e 15 para estacas escavadas e entre 14 e 50

para estacas cravadas ou escavadas com bentonita. A capacidade de carga lateral (rL) pode ser calculada diretamente com a equação 13, sem distinção do tipo de solo.

Para o cálculo da capacidade de carga junto a ponta (rP) é introduzido um coeficiente

C, que pode ser obtido na Tabela 3 de acordo com o tipo de solo. A expressão para o cálculo de rP é definida na equação 14.

rL = 10 (

NL

3 + 1) ( 13 )

rP = C NP ( 14 )

Sendo:

NP – valor médio a partir dos valores índice de resistência à penetração no nível

da ponta, o imediatamente anterior e o imediatamente posterior.

NL – valor médio do índice de resistência à penetração ao longo do fuste.

Tabela 3. Coeficiente característico do solo C Tipo de solo C (kPa)

Argila 120

Silte argiloso 200

Silte arenoso 250

Areia 400

Fonte: Décourt e Quaresma (1978) apud Cintra e Aoki (2010) O método inclui também a utilização de coeficientes α e β para a correção, respectivamente, da reação de ponta (rP) e da resistência lateral (rL) nos diversos tipos

de estacas (DÉCOURT et al, 1998). O parâmetro α pode ser visualizado na Tabela 4 e o parâmetro β pode ser visualizado na Tabela 5.

Tabela 4. Valores do coeficiente α – Décourt-Quaresma.

Tipo de Solo Tipo de Estaca Escavadas em geral Escavadas (bentonita) Hélice contínua Raiz Injetada sob altas pressões Argilas 0,85 0,85 0,3* 0,85* 1,0* Solos Intermediários 0,6 0,6 0,3* 0,6* 1,0* Areias 0,5 0,5 0,3* 0,5* 1,0*

*Valores apenas orientativos diante do reduzido número de dados disponíveis.

Tabela 5. Valores do coeficiente β – Décourt-Quaresma. Tipo de Solo Tipo de Estaca Escavadas em geral Escavadas (bentonita) Hélice contínua Raiz Injetada sob altas pressões Argilas 0,8* 0,9* 1,0* 1,5* 3,0* Solos Intermediários 0,65* 0,75* 1,0* 1,5* 3,0* Areias 0,5* 0,6* 1,0* 1,5* 3,0*

*Valores apenas orientativos diante do reduzido número de dados disponíveis.

Fonte: Décourt e Quaresma (1996) apud Décourt et al (1998) Após a inclusão dos coeficientes, a formulação final para a capacidade de carga de acordo com o método Décourt-Quaresma é definida na equação 15.

R = α C NP AP + 10 β (

NL

3 + 1) U L ( 15 )

Quanto ao fator de segurança, os autores propõem a utilização de um fator de segurança de 4 para a resistência de ponta e 1,3 para a resistência lateral.

2.3.2.3 Método de Teixeira

Com base em outros métodos, Teixeira propôs uma equação unificada para o cálculo da capacidade de carga em função dos parâmetros α e β, conforme a equação 16 (CINTRA e AOKI, 2010).

R = RP + RL = α NP AP + β NL U L ( 16 )

Sendo:

NP – valor médio do índice de resistência à penetração medidos no intervalo de

4 diâmetros acima da ponta da estaca e 1 diâmetro abaixo

NL – valor médio do índice de resistência à penetração ao longo do fuste.

Os valores dos parâmetros α e β podem ser obtidos, respectivamente, a partir da Tabela 6 e da Tabela 7 de acordo com a estaca e o tipo de solo.

Tabela 6. Valores do parâmetro α – Teixeira.

Solo (4 < NSPT < 40

Tipo de Estaca - α (kPa)

Pré-moldada e

perfil metálico Franki

Escavada a

céu aberto Raiz

Argila siltosa 110 100 100 100 Silte argiloso 160 120 110 110 Argila arenosa 210 160 130 130 Silte arenoso 260 210 160 160 Areia argilosa 300 240 200 200 Areia siltosa 360 300 240 240 Areia 400 3340 270 270

Areia com pedregulhos 440 380 310 310

Fonte: Teixeira (1996) apud Cintra e Aoki (2010). Tabela 7. Valores do parâmetro β – Teixeira.

Tipo de estaca β (kPa) Pré-moldada e Perfil

metálico 4

Franki 5

Escavada a céu aberto 4

Raiz 6

Fonte: Teixeira (1996) apud Cintra e Aoki (2010). Deve-se ressaltar que para solos com espessas camadas de argilas moles, no qual serão utilizadas estacas pré-moldadas com ponta flutuante, Teixeira recomenda a utilização da tensão de atrito lateral fornecida na Tabela 8.

Tabela 8. Valores de atrito lateral. Sedimento rL (kPa)

Argila fluviolagunar (SFL)* 20 a 30 Argila transicional (AT)** 60 a 80

*SFL: argilas fluviolagunares e de baias, holocênicas – camadas situação até cerca de 20 a 25 m de profundidade, com valores de NSPT inferiores a 3, de coloração cinza-escura, ligeiramente pré-

adensada.

**AT: argilas transicionais, pleistocênicas – camadas profundas subjacentes ao sedimento SFL, com valores de NSPT de 4 a 8, as vezes de coloração cinza-clara, com tensões de pré-adensamento maiores

do que aquelas das SFL.

Fonte: Teixeira (1996) apud Cintra e Aoki (2010) Com relação ao fator de segurança o autor propõe a utilização de um fator de segurança global 2, exceto para estacas escavadas a céu aberto, no qual recomenda a utilização de um fator de segurança de 4 para a resistência de ponta e 1,5 para a resistência lateral.