COMPORTAMENTO

3.1.1.

Interacção estaca de brita – solo

A presença de estacas de brita origina um conjunto de material com baixa compressibilidade e de resistência ao corte elevada relativamente ao solo não reforçado. Comparativamente ao solo in situ, as estacas de brita são geralmente mais rígidas e compostas por material granular. A falta de forças de natureza coesiva do material de enchimento faz com que a estabilidade da estaca dependa do apoio lateral do solo envolvente para que ela não entre em rotura quando carregadas (Townsend e Anderson, 2004).

Segundo Elsawy (2010), quando é aplicada uma carga axial no topo de uma estaca de brita, esta tem tendência a expandir-se lateralmente, aumentando o seu diâmetro. Segundo Barksdale e Bachus (1983), este fenómeno ocorre à profundidade de 2 a 3 diâmetros abaixo da superfície (Figura 3.1).

36

A extensão radial aumenta a tensão lateral no solo envolvente, o que proporciona um confinamento adicional à estaca e um aumento da sua rigidez. Uma grande parte do carregamento é inicialmente suportada pelas estacas de brita que são, comparativamente com o solo envolvente, muito mais rígidas e resistentes.

Figura 3.1 – Comportamento de uma estaca rígida e de uma estaca de brita perante um carregamento vertical

(Domingues, 2006, adaptado)

Como o processo de consolidação continua, a estaca e o solo envolvente interagem entre si, promovendo uma redistribuição da carga aplicada sobre o conjunto (Zhang, 2009). As concentrações de tensões desenvolvem-se na estaca acompanhada de uma redução de tensão no solo circundante.

Quando o solo reforçado é carregado, os assentamentos verticais da estaca e do solo são aproximadamente iguais e, sendo a estaca de brita mais rígida que o solo envolvente, vai suportar grande parte da carga aplicada, estando o solo mole sujeito a uma carga menor (Elsawy, 2010). Em consequência, a estaca de brita sofre uma deformação imediata, a volume constante, com transmissão de parte de carregamento ao solo e, só depois, o conjunto estaca – solo sofre uma deformação com variação de volume, o que torna o mecanismo de colapso mais progressivo. Deste modo e alcançando-se um estado de equilíbrio, o sistema estaca de brita – solo, quando comparado com o solo não reforçado, proporciona um aumento significativo da capacidade resistente, reduzindo o deslocamento vertical.

A aplicação destas estacas é assim mais vantajosa quando comparado com outros tipos de fundações indirectas mais “rígidas”, como é o caso das estacas de betão (Domingues, 2006). Detalha-se em seguida o mecanismo de rotura/comportamento associado a este tipo de estacas.

37

3.1.2.

Tipos de rotura

Perante um carregamento vertical, a força aplicada às estacas são transferidas para o maciço e consoante o tipo de solo, através de atrito lateral _{( ) ao longo da superfície de contacto} estaca/solo e/ou directamente pela ponta _{( ). Sendo a estaca de brita um material granular sem} forças de natureza coesiva, quando carregado verticalmente tem tendência para sofrer um assentamento imediato e, consequentemente, a ser contrariado pela tensão de confinamento radial ( ) transmitida pelo solo através de um mecanismo de reacção passiva. O confinamento lateral é um factor importante para a sua estabilidade. Comparativamente a uma estaca rígida, as tensões que actuam numa estaca de brita sujeita a um carregamento vertical encontram-se esquematizadas na Figura 3.1.

As estacas de brita são geralmente construídas como estacas de ponta fundadas em substratos firmes subjacentes a solos moles ou como estacas flutuantes com a sua extremidade incorporada numa camada mole, sendo esta a situação menos frequente (Barksdale e Bachus, 1983).

Diversos autores investigaram, em laboratório e in situ, os possíveis mecanismos de rotura das estacas de brita, quando solicitadas axialmente, tanto individualmente como em grupo. Destacam- se, como a base destes estudos, os trabalhos realizados por Hughes e Withers (1974), Hughes et al. (1976), Madhav e Vitkar (1978), Aboshi et al. (1979) e Mckelvey et al. (2004). Os principais tipos de deformações que podem ocorrer numa estaca de brita, quando solicitada axialmente, são devidos a deformações radiais, rotura por planos de corte e a assentamentos verticais excessivos, como referidos no Quadro 3.1.

De salientar que quando a relação comprimento/diâmetro é pequena, ou seja, inferior a 4, parte das solicitações verticais são transmitidas à ponta da estaca, visto que o comprimento é insuficiente para absorver lateralmente as tensões verticais, funcionando essencialmente por ponta. No caso de a estaca ter um comprimento reduzido, de modo que a tensão na base exceda a resistência de ponta do solo, o modo de rotura por insuficiente capacidade de ponta ocorrerá antes do modo de rotura por excessiva expansão lateral.

Quando o comprimento da estaca é superior a cerca de 4 vezes o diâmetro, a resistência lateral assegura a degradação das tensões verticais, sendo a rotura por expansão lateral excessiva o mecanismo mais frequente.

De salientar que em estacas com comprimentos grandes, a resistência lateral equilibra as tensões verticais até uma determinada profundidade, ou seja, a partir desse comprimento as tensões verticais na estaca não se fazem sentir, sendo dispensável tal aumento de comprimento. De acordo com Hughes e Withers (1974), essa profundidade é cerca de 6 a 7 vezes o diâmetro da estaca.

38

Deve no entanto ressalvar-se que os mecanismos de rotura cima descritos são idealizados para solos com propriedades uniformes, que raramente ou nunca são encontrados na natureza. Ao longo da estaca, a presença de zonas isoladas de solos muito moles ou com elevado conteúdo de matéria orgânica pode levar à rotura por expansão lateral exactamente nessa zona, tanto em camadas superficiais como em profundidade (Barksdale e Bachus, 1983).

Quadro 3.1 – Mecanismo de rotura nas estacas de brita (Barksdale e Bachus, 1983, adaptado)

Mecanismos de rotura – Estacas de brita isoladas

Rotura por excessiva expansão lateral (bulging): tipo de rotura

mais provável em estacas de brita de grandes comprimentos, fundadas em substratos rígidos. Ocorre quando a estaca de brita possui insuficiente confinamento lateral por parte do solo envolvente. Tem lugar numa determinada zona da estaca, correspondente a uma profundidade de até 4 diâmetros (Hughes e Withers, 1974). Este é o mecanismo mais frequente encontrado na prática.

Rotura por planos de corte: geralmente acontece em estacas de

reduzido comprimento e fundadas num substrato rígido. Este mecanismo normalmente tem efeito no topo da estaca.

Rotura por assentamentos verticais excessivos: provável em

estacas flutuantes com reduzido comprimento ou com comprimentos que não degradem suficientemente as cargas aplicadas. É devido a uma insuficiente capacidade resistente da ponta no substrato subjacente fraco ou devido ao insuficiente atrito lateral. A estaca sofre deformações verticais, ou seja, “enterra-se”, antes de ocorrer a rotura por expansão lateral. Nestas estacas pode também ocorrer rotura por planos de corte.

Uma vez que as estacas são geralmente instaladas em grupo, os prováveis mecanismos de rotura são, usualmente, uma combinação dos considerados para as estacas isoladas, como ilustrado na Figura 3.2. No entanto, diversos autores deram seguimento aos estudos realizados pelos autores atrás referidos, em particular: Dayte (1982), Wood et al. (2000), Christoulas et al. (2000), Bae et al. (2002), Black et al. (2006), Ambily e Gandhi (2007), Black et al. (2007) e Sivakumar et al. (2007).

39

Figura 3.2 – Mecanismos de rotura de grupos de estacas de brita (Barksdale e Bachus, 1983, adaptado)