Prova de carga em placa em camada de solo granular compactado
Plate load test over compacted granular soil layer
Luiz Gustavo de Souza¹, Flávio Alessandro Crispim²
Resumo: As fundações superficiais no município de Sinop-MT são assunto que demanda pesquisas para se obter dados e valores de resistência do solo. Atualmente têm-se que a tensão admissível para o solo natural é da ordem de 50 kN/m², considerado um valor baixo, tendo em vista a necessidade das obras. Esta pesquisa analisa a resistência do solo adquirida utilizando camada de solo granular sobre o solo natural. O procedimento utilizado para a verificação da resistência foi a execução de uma prova de carga em placa sobre camada granular de 0,30 m. Os resultados obtidos foram comparados com ensaios de prova de carga sobre solo natural, realizado na mesma área de estudo. Os resultados mostraram aumento de 9% na tensão admissível e redução de 15 % no recalque. Conclui-se que a camada de reforço com material granular apresentou efeito limitado como solução de melhoramento do solo para fundação.
Palavras-chave: fundações superficiais; solo granular; prova de carga em placa; tensão admissível; recalque. Abstract: The shallow foundations in Sinop-MT are subjects that demand research to obtain soil resistance data and values. At present, the allowable bearing capacity for the natural soil is of the order of 50 kN / m², considered a low value, considering the need of the works. This research analyzes the soil bearing capacity acquired using granular soil layer on the natural soil. The procedure used to verify the resistance was the execution of a plate loading test on a 0.30 m granular layer. The results obtained were compared with load test on natural soil, carried out in the same study area. The results showed a 9% increase the allowable bearing capacity and a 15% reduction in the settlement. It was concluded that the reinforcing layer with granular material had limited effect as soil improvement solution for foundation.
Keywords: shallow foundations; granular soil; plate load test; allowable bearing capacity; settlement. 1 Introdução
Fundações de obras de pequeno porte, geralmente as fundações rasas, são um assunto pouco pesquisado no país, porque não envolvem grande quantidade de capital. Contudo, para o investidor podem encarecer ou até mesmo inviabilizar a obra, principalmente quando o solo do local é identificado como de baixa capacidade de suporte, por exemplo, ou também como solo colapsível. As obras de grande porte se utilizam de fundações profundas (devem suportar grandes cargas) com seu custo diluído no valor global da obra.
As fundações rasas recebem esse nome por se apoiarem sobre o solo a uma pequena profundidade tendo como referência o solo circundante.
Quanto a ações e solicitações, a estrutura de um edifício tem como parte de sua composição a infraestrutura (estacas, sapatas ou tubulões) que é embutida na parte geotécnica. Essas duas partes compões um único sistema, sujeito a um conjunto de forças ativas externas – chamadas ações – normalmente são permanentes, variáveis e excepcionais.
Fundação é o componente estrutural que transfere ao terreno as solicitações da edificação (cargas verticais, horizontais e momentos), isso fundamenta a seguinte ideia: o projeto de uma fundação exige conhecimentos em Geotecnia e cálculo estrutural. Tamanha complexidade se verifica rapidamente analisando os seguintes pontos, uma estrutura calculada por um engenheiro estrutural considera que todos os apoios
são indeslocáveis, isso para que seja possível obter o conjunto de solicitações desta estrutura. Tais solicitações são forças verticais e horizontais e momentos. Em seguida, essas solicitações são passadas ao projetista de fundações que em posse de uma série de elementos e informações pode então elaborar o projeto de fundações. As fundações, quaisquer que sejam, solicitarão o terreno quando carregadas, e como efeito provocam deslocamentos verticais (recalques), horizontais e rotações (DUARTE, 2006).
As incertezas de projeto devem ser reduzidas à margem mínima, para que não comprometam a estabilidade da obra e impactem negativamente no custo da obra. Para tanto, deve-se lançar mão de dados sobre a geotécnica do local e possibilidades de soluções, para que do ponto de vista da engenharia sejam otimizados os custos da obra sem prejudicar a qualidade e durabilidade da obra.
Os projetos de fundação exigem que se conheça a tensão admissível do solo e a estimativa do comportamento dos deslocamentos da fundação, para assim, ser corretamente definido o tipo de fundação para a obra. A tensão admissível e estimativa de comportamento do sistema solo-sapata podem ser determinadas através de ensaios de prova de carga em placa, tal como preconiza a norma ABNT (1994). Este trabalho busca informações para colaborar com novos dados de provas de carga em fundações, sobretudo na região centro norte do Mato Grosso. Somando aos estudos de Braga (2011). Pinto (2012), Souza et al (2014) e Castro e Crispim (2015), que constataram que os solos da região do município de Sinop-MT apresentam baixa capacidade de carga e em torno de 50 kN/m². O que influencia negativamente no dimensionamento de fundações superficiais.
1
Graduando do curso de Engenharia Civil, UNEMAT, Sinop – MT, Brasil, e-mail: luizgusttavos03@gmail.com.
2 Doutor, professor adjunto, UNEMAT, Sinop – MT, Brasil,
2 Fundamentação teórica
Admitindo que a engenharia de fundações não é uma ciência exata e que variações de técnicas e materiais podem ocorrer durante as atividades deste ramo da engenharia (ABNT, 2010), devem ser considerados riscos inerentes a fenômenos ou materiais da natureza.
2.1 Capacidade de carga de fundações superficiais
Segundo Cintra et al. (2011), considera-se o elemento sapata e o maciço de solo como um sistema chamado sapata-solo. Esta sapata é de base retangular de largura B e comprimento L, está embutida no maciço de solo a uma profundidade h em relação à superfície. O elemento é sujeito à aplicação de uma força vertical P de compressão no topo da sapata, e como consequência têm-se a mobilização de tensões resistentes no maciço de solo. Assim, com o aumento gradativo da força P ocorre o surgimento de uma superfície potencial de ruptura no maciço de solo. Na iminência da ruptura, temos a resistência máxima do sistema sapata-solo, que é denominada capacidade de carga do elemento de fundação, que nada mais é do que a tensão que provoca a ruptura do maciço em que a sapata está apoiada. O esforço se aplica diretamente na base do elemento de fundação.
Para Terzaghi (1943 apud DUARTE, 2006), a capacidade de carga ou suporte de um solo é a máxima carga que o solo suporta antes do início do escoamento plástico. Aplicado um dado incremento de carregamento, além de certo valor crítico, o solo passa gradualmente para um estado plástico de equilíbrio. Durante este processo de transição, tanto a distribuição de reação quanto a orientação das tensões principais no solo abaixo da fundação mudam.
2.2 Investigação geotécnica
Os ensaios de investigação geotécnica do solo para fundações podem estimar a resistência do solo ao cisalhamento, como também determinar a carga máxima resistida, nos casos da prova de carga, desde que seja levada em consideração a relação do comportamento entre o equipamento e uma fundação real.
"Não se deve elaborar qualquer projeto de fundações sem que a natureza do subsolo seja conhecida, através de ensaios geotécnicos de campo, tais como sondagens de simples reconhecimento, ensaios de penetração estática, provas de carga em protótipos etc." (ALONSO, 2009 p. 5).
Sobre esse assunto, Milititsky et al (2005) também afirma que mais de 80 % dos casos de mau desempenho de fundações de obras pequenas e médias é decorrente da solução inadequada devido à falta de investigação do solo.
Dentre os ensaios de campo mais utilizados destacam-se o ensaio SPT e a prova de carga em placa (aplicável a fundações superficiais) e a prova de carga em estacas (aplicável a fundações profundas). O tópico a seguir apresenta o ensaio de prova de carga em placa, foco deste trabalho.
2.3 Prova de carga em placa
Além do modo teórico para o cálculo de capacidade de carga, o método experimental também é utilizado, esse último através de provas de carga em placa, que são realizadas na fase de projeto da fundação. Esta pesquisa utilizará tal ensaio, regulamentado pela norma ABNT (1984), que se fundamenta na instalação de uma placa na mesma cota de projeto da base da fundação, e aplicação de carga em estágios, e simultaneamente a medida de recalque é verificada. A placa é circular, rígida e de aço, e seu diâmetro é 0,80 m.
É necessário realizar provas de carga pelo motivo de haver grande dificuldade em tratar analiticamente o comportamento tensão-deformação de um elemento de fundação, tomando que já existem diversos fatores que influem na capacidade de carga do elemento em questão.
Duarte (2006) afirma que por terem custo relativamente baixo e simples execução, as provas de carga normalmente são executadas em placas rígidas. Essas provas podem se classificar em provas de carga placa-protótipo (escala 1:1) e provas de carga em placa modelo (escala reduzida). A placa protótipo se caracteriza por simular uma fundação direta, com suas dimensões e materiais similares aos usuais, em concreto simples ou armado, por exemplo, para simular uma sapata; e a placa modelo se configura em uma placa de aço em geral circular, esse modelo apresenta resultado satisfatório para analisar os efeitos dos carregamentos aplicados. Os ensaios de placa são constituídos basicamente por três partes: reação; sistema de transmissão de cargas e sistemas de leitura e aquisição de dados. Os resultados obtidos resultam em um gráfico tensão x recalque, conforme apresentado na Figura 1.
Figura 1 - Gráfico tensão x recalque. Fonte: Os autores, 2018.
Para que os resultados da prova de carga sobre a placa possam ser estendidos à fundação, é necessário que os bulbos de tensão da placa e da fundação englobem solos com as mesmas profundidades, mesmas caraterísticas de resistência e de deformabilidade. Antes de realizar a prova de carga, é necessário conhecer o perfil geotécnico do solo para evitar interpretações erradas. Portanto, se no subsolo existirem camadas mais compressíveis e mais profundas, que não sejam solicitadas pela placa, mas que estejam solicitadas pela fundação, o resultado do ensaio de prova de carga será inválido (ALONSO, 2009).
A correção dos bulbos de tensões é feita levando-se em consideração o modelo de Terzaghi e Peck (1948 apud Hachich et al, 1998), com base no coeficiente de reação. Uma representação dos bulbos de tensão é apresentada na Figura 2.
Figura 2 - Bulbo de tensões. Fonte: Os autores, 2018.
2.3 Recalques
De acordo com a ABNT (2010), recalque é o deslocamento vertical do solo oriundo de uma carga, podendo esta carga ser de uma estrutura de construção sobre o solo.
Cintra et al (2011) subdividem em recalque total, recalque diferencial e recalque diferencial específico (distorção angular). Em casos dos recalques que a estrutura vier a sofrer movimentos verticais ou de inclinação e podendo acontecer ambos.
Os recalques absolutos de mesma ordem de grandeza não são muito relevantes, contudo os recalques diferenciais prejudicam a estrutura.
Recalque diferencial é a diferença de recalques entre dois apoios diferentes, enquanto que a distorção angular é a relação das diferenças pela distância entre estes dois apoios.
2.4 Reforço de fundação rasa com material granular
Existem estudos realizados sobre o solo comum da área urbana de Sinop-MT que informam resultados positivos de melhoria da tensão admissível do solo utilizando material granular como reforço.
Gonzaga Junior e Romanini (2016) ensaiaram solo reforçado com 50% de RCD (resíduo de construção e demolição). Este estudo obteve com resultado aumento de 60% na resistência do solo natural, que foi estudado anteriormente por Souza et al (2014), como se pode ver na Figura 3.
Figura 3 - Comparativo de tensão x recalque entre solo natural (SOUZA et al, 2014) e solo reforçado com RCD
(GONZAGA JUNIOR e ROMANINI, 2016). Fonte: Gonzaga Junior e Romanini (2016).
Um outro estudo foi realizado por Fank e Crispim (2016), que verificou o reforço de solo com cascalho. Os resultados estão representados na Figura 4. Apresentou um ganho de aproximadamente 50% da capacidade de carga quando comparado ao solo natural predominante na região.
Figura 4 - Carga-recalque de um solo reforçado com cascalho.
Fonte: Fank e Crispim (2016). 3 Metodologia
Foi realizada uma prova de carga em placa sobre o solo natural com reforço de uma camada de 30 cm de material granular (cascalho).
3.1 Caracterização do local
O ensaio foi realizado no município de Sinop-MT, no
Campus da Universidade do Estado de Mato Grosso –
UNEMAT, cuja localização geográfica é 11º 51’03,40’’ S / 55º 30’53,10’’. A Figura 5 ilustra o local de realização do ensaio.
Figura 5 - Campus de Sinop da UNEMAT. Fonte: Fank e Crispim (2016).
3.2 Materiais e equipamentos
Este ensaio exigiu uma viga metálica de 5 m de comprimento Figura 6, placa de aço de 0,80 m de diâmetro e 0,08 m de espessura Figura 7, macaco hidráulico com capacidade para 196 kN (20 tf) Figura
um compactador mecânico manual (Figura 10) para a compactação do cascalho, aço e concreto (para a execução da reação – bloco e estacas), Figura 11, este trabalho executou apenas um bloco de reação porque já existia um outro bloco no local do ensaio, também para a execução das estacas foi utilizado uma perfuratriz mecânica (alugada em loja de aluguel de equipamentos de construção), Figura 12, para a perfuração. Para a escavação do poço foi utilizada uma retoescavadeira, Figura 13.
Figura 6 - Viga metálica 5 m. Fonte: Fank e Crispim (2016).
Figura 7 - Placa metálica 0,80 m de diâmetro. Fonte: Fank e Crispim, 2016.
Figura 8 - Macaco hidráulico com manômetro. Fonte: Fank e Crispim, 2016.
Figura 9 - Extensômetros. Fonte: Fank e Crispim, 2016.
Figura 10 - Compactador mecânico manual. Fonte: Os autores, 2018.
Figura 11 - Concretagem do bloco de reação (final da concretagem).
Figura 12 - Perfuratriz semelhante ao equipamento realmente utilizado.
Fonte: Os autores, 2018.
Figura 13 - Retroescavadeira realizando limpeza e escavação do local do ensaio.
Fonte: Os autores, 2018.
3.3 Ensaio
O ensaio foi realizado conforme a ABNT (1984). O esquema do ensaio está representado na Figura 14. Primeiro foi aberto poço de dimensões 1,2 x 1,2 x 1,2 (m). Em seguida foi executado sistema de reação. Foram perfuradas as estacas de reação e foi executada a escavação do bloco nas dimensões de 1,2 x 1,2 x 0,30 (m). Após concluídas as escavações, Figura 13, foram montadas as armaduras das estacas e do bloco. Para finalizar esta parte da estrutura do sistema de reação foi realizada a concretagem das estacas e do bloco, como mostrado na Figura 15. Para a concretagem foi utilizado concreto usinado com fck 30 MPa, slump de 12 cm.
Figura 14 - Esquema geral do ensaio. Fonte: Os autores, 2018.
Figura 15 - Escavações das estacas e do bloco de reação. Fonte: Os autores, 2018.
A camada de cascalho foi compactada em três camadas de 0,10 m cada camada utilizando o compactador mecânico manual, Figura 10. Em seguida foi montada a viga de reação sobre os blocos, por fim foram montados os extensômetros de modo a não sofrerem interferências de energias externas ao carregamento, Figura 16.
Figura 16 - Montagem dos extensômetros. Fonte: Os autores, 2018.
A carga máxima a ser aplicada sobre a camada granular foi dividida em estágios, para tanto foi utilizada uma previsão aproximada a partir dos resultados de Fank e Crispim (2016). As leituras dos recalques do ensaio de prova de carga em placa foram medidas utilizando os extensômetros acoplados a placa, realizando as leituras no início e no fim de cada carregamento nos períodos de 1, 2, 4, 8, 15, 30 e 60 minutos. Foram utilizados 3 extensômetros como mostrado na Figura 16. Os estágios de carregamentos foram interrompidos após ocorrência de recalque total de 25 mm.
A Figura 17 apresenta uma visão geral da estrutura do ensaio.
Figura 17 - Esrutura geral do ensaio. Fonte: Os autores, 2018.
4 Apresentação e análise dos resultados
Foram realizados 5 carregamentos de 50 kN cada. Os tempos de estabilização médios dos estágios de carregamentos foram de 1 hora.
A aplicação de carga foi encerrada no 5º carregamento utilizando como critério de parada o recalque de 25 mm.
Na Figura 18 são mostrados os resultados encontrados, mostrando os recalques medidos no centro e na borda da placa.
Figura 18 - Curva tensão x recalque da borda (média das duas leituras da borda).
Fonte: Os autores, 2018.
Nota-se o deslocamento de uma curva para outra deviso à amplitude dos extensômetros utilizados, o do centro possui amplitude menor.
No final da aplicação de cargas verificou-se a tensão máxima de 140 kN/m². As curvas da Figura 18 mostram que os recalques obtidos na borda da placa são superiores aos recalques do centro da placa. Comportamento esperado para placas flexíveis em solos granulares (neste caso, camada de cascalho) (CINTRA et al, 2011).
Os solos granulares sofrem maiores recalques nas bordas do que no centro devido ao efeito de confinamento de solo no centro da placa, que limita o deslocamento, enquanto que na região das bordas o solo fica mais livre, podendo ceder ao esforço aplicado.
A Figura 19 representa a curva tensão x recalque médio entre borda e centro da placa.
Figura 19 - Curva tensão x recalque médio. Fonte: Os autores, 2018.
A tensão admissível foi obtida utilizando um fator de segurança de valor 2, resultando em 70 kN/m² Como não ocorreu ruptura do solo, adotou-se como tensão de ruptura convencional a tensão que corresponde ao recalque de 25 mm. Na Tabela 1 são apresentados os valores de tensões admissíveis encontradas para o solo analisado, com o reforço da fundação e valores sem o reforço da fundação (obtido de Souza et al, 2014).
Tabela 1 – Valores de tensão admissível
Condição do solo Tensão admissível
(kN/m²)
Sem reforço 55
Com reforço 60
Fonte: Os autores, 2018.
Considerando os dados da Tabela 1 houve um aumento de 9% na tensão admissível, resultado inferior ao encontrado por Fank e Crispim (2016), que obtiveram acréscimo de 36%. Gonzaga Junior e Romanini (2016) obtiveram um acréscimo de 55% ao utilizar RCD na camada granular. Esta diferença pode estar ligada ao fato de a prova de carga, neste trabalho, ter sido realizada em solo saturado.
Quanto à análise de recalque, verificou-se que a camada granular se desloca como um bloco, havendo redução da ordem de 15%, menor que a observada pelos demais autores. Fank e Crispim (2016) observaram redução de 35% e Gonzaga Junior e Romanini (2016) de 65%. Paiva e Crispim (2018) ao realizarem prova de carga em camada de aterro granular com 1 m de espessura e compactada à energia do Proctor normal obtiveram recalques da ordem de 3 mm para tensão admissível de cerca de 80 kN/m² não observando ruptura do solo. Estes resultados mostram que a camada granular em pequenas dimensões tem eficácia limitada quanto à tensões e recalques.
4 Conclusão
O estudo realizado neste trabalho mostrou um aumento da ordem de 9% na tensão admissível quando comparado ao solo natural e redução de 15% no recalque. Porém, o recaque de 25 mm foi atingido sem que chegasse à ruptura do solo. A camada granular apresentou efeitos modestos como solução de melhoramento do solo para fundação.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 20 40 60 80 100 120 140 160 R e c a lq u e (m m ) Tensão (kN/m²) Bordas Centro 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 20 40 60 80 100 120 140 160 R e c a lq u e (m m ) Tensão (kN/m²)
Agradecimentos
Agradeço, primeiramente a Deus, responsável por todas as conquistas e dificuldades superadas durante esta trajetória. Agradeço a minha família por todo amor e motivação, por terem me mantido longe de casa e nunca ter faltado fé que eu alcançaria os meus objetivos, meu pai Lázaro, minha mãe Maria e a minha irmã Larisse, e minha namorada Ana Carolina, por todo companheirismo e paciência ao longo do meu desenvolvimento. Agradeço aos amigos e ao companheirsmo desenvolvido ao longo destes anos. Agradeço às pessoas que me ajudaram diretamente na realização desta pesquisa fornecendo materiais e tranportes, foram fundamentais para a que este trabalho pudesse ser finalizado, são Gabriel Keidy, Jeferson Santos e Lucas Pereira. A todos os docentes pelos ensinamentos, em especial a meu orientador Flávio Crispim, por toda dedicação a este curso e aos seus alunos proporcionando seu conhecimento e apoio durante a graduação e na elaboração deste artigo. Aproveito esta oportunidade para agradecer também em especial ao professor Rogério Dias Dalla Riva (in memorian), o maior incentivador do curso de engenharia civil da UNEMAT – SINOP, este professor proporcionou grandes oportunidades (direta e indiretamente) aos alunos deste curso, através dos seus ensinamentos e dedicação da maior parte do seu tempo para que todos pudessem se desenvolver. Por fim agradeço a Universidade do Estado de Mato Grosso por me proporcionar a oportunidade de me tornar um engenheiro civil.
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