Reforço de Fundação Rasa com Cascalho
Strengthening of Shallow Foundation with Gravel
Doglas Henrique Fank1, Flávio Alessandro Crispim2
Resumo: É comum no município de Sinop – MT a ocorrência de extensas áreas que apresentam solos de baixa capacidade de carga, com tensão admissível da ordem de 70 kPa, dificultando a adoção de fundação superficial como solução construtiva.Neste trabalho, foi analisada a solução construtiva de reforço de fundação rasa, executando-se uma camada de cascalho compactado na cota se assentamento da sapata. Procedeu-se a execução de um ensaio de prova de carga em placa, executado sobre camada granular de 0,30 m e os resultados obtidos foram comparados com um ensaio de prova de carga em placa sobre solo natural, realizado na mesma área de estudo. Os resultados mostraram-se satisfatórios e concluiu-se que o reforço para a base de uma fundação com cascalho aumentou a tensão admissível do solo em aproximadamente três vezes, atingindo o valor de 160 kPa. Por outro lado o módulo de deformabilidade do solo reforçado permaneceu o mesmo que o módulo do solo natural, indicando que a solução adotada tem efeito positvo no aumento da capacidade de carga, mas efeito nulo na redução de recalques
.
Palavras-chave: Fundação; fundações superficiais; reforço de fundação; ensaio de prova de carga em placa.
Abstract: It is common in Sinop - MT the occurrence of extensive areas with soils that have low loadbearing capacity (allowable stress of order 70 kPa), hindering the constructive solution of superficial foundation. In this work, the constructive solution of shallow foundation reinforcement was analyzed by performing a layer of gravel compacted under the base of spread footing. It proceeded to execution of a load plate test, executed over granular layer of 0.30 m and the results were compared to a same test performed in natural soil in the study area. The results were satisfactory, the gravel enhancement under base of foundation increased the allowable stress of the soil by approximately three times, reaching the value of 160 kPa. On the other hand the deformability modulus of the reinforced soil remained the same as the natural soil module, indicating that the solution adopted has positive effect on the increase of load capacity, but no effect in reducing settlements.
Keywords: Foundation; shallow foundations; reinforcement of foundation; load test the test plate.
1 Introdução
No momento em que se faz uma edificação é necessario conhecer o tipo de solo em que a edificação será apoiada, além de saber como o solo irá se comportar em diferentes períodos do ano. A fundação é uma das partes mais onerosas de uma edificação com seu custo variando de 3 a 7% do custo total da obra. Os erros de projeto e vícios executivos podem acarretar em custos elevados, em razão da necessidade de alguns reforços ou até mesmo recuperação estrutural (JOPPERTJÚNIOR, 2007). Uma fundação que mais se adeque a determinados tipos de obras, depende diretamente das propriedades mecânicas do solo, como também das condições do perfil, da disponibilidade de determinados tipos de fundações existentes nas regiões e até mesmo da vizinhança existente ao redor da obra.
Um solo que possa ser admitido como ideal para a realização de uma fundação superficial deve apresentar boa capacidade de suporte e baixa deformabilidade. É comum no município de Sinop – MT a ocorrência de extensas áreas que apresentam solos de baixa capacidade de carga, inviabilizando assim a adoção de uma fundação superficial como
solução construtiva. Soluções usuais, como a utilização de fundações profundas, nem sempre são economicamentes viáveis, pois em casos de algumas habitações, a mesma terá um elevado custo o que pode vir a ser uma parcela considerável no custo final da obra. O melhoramento das propriedades geotécnicas de um solo se apresenta como uma alternativa capaz de permitir a utilização de uma fundação superficial.
Neste contexto, este trabalho avaliou influência de uma nova forma de melhoramento para a base de uma fundação superficial que tenha baixos custos e que melhor se adeque à nossa região. Foram comparados os resultados da capacidade de carga do solo de uma fundação assentada sobre o solo natural e outra fundação assentada sobre uma fina camada de cascalho compactado. A avaliação da influência da camada de cascalho utilizada como reforço no comportamento carga-recalque foi feita com um ensaio de prova de carga.
2 Revisão Teórica
A escolha e realização do melhor tipo de fundação depende diretamente do estudo do terreno e da carga atuante na mesma.
Fundações superficiais são aquelas em que a carga é transmitida ao terreno pela pressão distribuída sob-base da fundação, e em que a profundidade de assentamento em relação ao terreno adjacente é inferior a duas vezes a menor dimensão da fundação. Incluem-se nesse tipo de fundação os blocos, as sapatas, as sapatas associadas, sapatas corridas e os radiers (ABNT, 2010).
1
Acadêmico de Engenharia Civil, UNEMAT, Sinop-MT, Brasil, E-mail: doglas_fank@hotmail.com
2Doutor, Professor adjunto, UNEMAT, Sinop – MT, Brasil,
Fundações profundas são aquelas responsáveis por transmitirem os esforços pela base, superfícies laterais ou ambas. Elas também possuem uma base assentada em uma profundidade superior a duas vezes a sua menor dimensão. Esse tipo de fundação pode ser classificado em estacas, tubulões e caixão. 2.1 Capacidades de carga de fundações superficiais Segundo Vargas (1977 apud SALES 1998) a capacidade de carga de uma fundação é definida pela tensão de cisalhamento quando igualada a resistência ao cisalhamento do solo. De acordo com a ABNT (2010) os métodos de cálculos para a obtenção da capacidade de carga para fundações superficiais podem ser divididos através dos critérios de prova de carga em placa, métodos empíricos, semi-empíricos e métodos teóricos.
Os métodos empíricos são aqueles pelos quais se chega a uma tensão admissível com base na descrição do terreno. (ABNT, 2010).
Os métodos semi-empíricos são aqueles em que as propriedades dos solos são estimadas com bases em correlações e em seguida inseridas nas fórmulas teóricas. (TEIXEIRA E GODOY, 1998).
Os métodos teóricos são aqueles em que estão relacionados às características de compressibilidade e resistência ao cisalhamento do solo. (ABNT, 2010). A prova de carga em placa é um dos métodos mais utilizados para a realização da capacidade de carga de fundações superficiais. Nesse método os carregamentos são divididos em estágios tendo sempre um acréscimo de carga. O objetivo do método é fazer com que cause um recalque em baixo da placa através do desarranjo do elemento estrutural do solo.
2.2 Prova de carga em placa
O ensaio de prova de carga em placa é um dos ensaios mais reconhecidos pelo meio técnico de Engenharia Civi como a ferramenta mais confiavél e eficaz para auxiliar o profissional de engenharia na tomada de decisão sobre a escolha de uma fundação superficial. Esse ensaio é constituido basicamente por três sistemas: o sistema de reação, o sistema de transmissão de carga e o sistema de leitura e aquisição de dados. (SALES, 1998). A Figura 1 representa o ensaio de prova de carga em placa.
Figura 1: Ensaio de prova de carga em placa. Fonte: Duarte 2006.
Segundo a ABNT(1984), os resultados do ensaio devem ser interpretados de modo a considerar a relação modelo-protótipo e as camadas influenciadas de solo. Os resultados que são obtidos resultam em um gráfico de tensão x recalque, representado na Figura 2.
Figura 2: Gráfico de tensão x Recalque. Fonte: Alonso, 1991. Segundo TEIXEIRA E GODOY (1998) os ensaios de prova de carga em placa deverão ser interpretados de modo a atender os critérios de ruptura e recalque do solo.
Deste modo, para que os resultados do ensaio de prova de carga em placa se entendam e sejam comparados à fundação, é necessario que os bulbos de tensão da placa e da fundação englobem solos com a mesma profundidade, características de resistência e deformabilidade. Assim, se forem encontradas no subsolo camadas compressíveis em profundidades diferentes, que não seja solicitadas pela placa, o resultado será desconsiderado. Salvo que se aumente o tamanho da placa para compreender em seu bulbo de tensão a camada compresível (ALONSO, 2009).
Ainda segundo Alonso (2009), a correlação dos bulbos de tensão pode ser feita assumindo como base o coeficiente de reação. Assim, a largura da fundação é “n” vez maior que a largura da placa e a profundidade do seu bulbo de tensão. A Figura 3 representa a correlação.
Figura 3: Correlação entre placas no solo. Fonte: Alonso, 2009.
Logo, a correlação do bulbo de tensão entre a placa e uma fundação se dá pela Equação 1.
Bf=n.Bp Equação (1) Em que:
Bf = bulbo de tensão da fundação:
n = n.z, onde z é a profundidade do bulbo de tensão da placa, e n é a proporção de quando o bulbo da fundação é maior:
Bp = bulbo de tensão da placa:
rf = cota onde a fundação está localizada: rp = cota onde a placa está localizada:
3 Metodologia 3.1 Localização
O ensaio de prova de carga em placa foi realizado no município de Sinop - MT, no Campus da Universidade do Estado de Mato Grosso – Unemat, com localização geográfica 11º 51’03.40’’ S / 55º 30’53.10’’. A Figura 4 representa o local da realização do ensaio.
Figura 4: Campus de Sinop da Universidade do Estado de Mato Grosso – Unemat. Fonte: Adaptado Google Earth,
2013. 3.2 Materiais
Para o ensaio de prova de carga em placa foi utilizada uma viga metálica com 5 metros de comprimento, placa de aço de 0,80 m de diâmetro e 0,08 m de espessura, macaco hidráulico com capacidade para 294 kN (30 tf) de carga, extensômetros com precisão de m, um socador manual para a compactação do cascalho, concreto e aço (para a realização de blocos e estacas de reação), além de um caminhão Munck e para a escavação de blocos e estacas. As Figuras de 5 a 8 apresentam os materiais utilizados para a realização do ensaio.
(a) (b)
Figura 5: (a) Viga metálica; (b) Placa de aço flexível. Fonte: Martins, 2014 e Os Autores, 2016.
Figura 6: Macaco Hidráulico. Fonte: Souza, 2014
Figura 7: Extensômetro. Fonte: Os autores, 2016.
Figura 8: Socador manual. Fonte: Os autores, 2016.
3.3 Montagem do ensaio
O ensaio foi realizado de acordo com a norma ABNT (1984). A montagem do ensaio está representada na Figura 9.
Figura 9. Corte esquemático do ensaio: 1) Viga metálica; 2) Bloco de concreto armado; 3) Estaca de concreto armado; 4) Macaco Hidráulico; 5) Placa de aço; 6) Camada de cascalho
e 7) Extensômetro. Fonte: Os Autores, 2016. O sistema de reação é composto por dois grupos de três estacas, com 0,40 m de diâmetro e 2 m de comprimento, coroadas com blocos quadrados de 1,20 m de lado. Cada estaca foi dimensionada com 3 barras aço de 10 mm, e para os blocos foram utilizados aços com bitola de 10 mm em toda sua estrutura. Sobre os blocos foi soldada uma viga metálica.
As Figuras 10 a 12 mostram a escavação das estacas, a montagem das armaduras e detalhe do bloco de coroamento.
Figura 10: Perfuração das estacas de reação. Fonte: Os autores, 2016.
Figura 11: Bloco e estacas de reação. Fonte: Os autores, 2016.
Figura 12: Dimensão das estacas e blocos. Fonte: Os autores, 2016.
Na concretagem das estacas e blocos foi utilizado concreto com fck de 20 MPa, traço de 1:2:4 e slump de 10 cm.
A prova de carga foi realizada em um poço com dimensão de 1,20 m x 1,20 m de lado e 1,30 m de profundidade. A placa de aço foi assentada sobre uma camada de trinta centímetros de cascalho compactado no fundo poço.
A Figura 13 mostra o poço onde foi realizado o ensaio.
Figura 13: Poço para a realização do ensaio. Fonte: Acervo particular, 2016.
A camada de cascalho foi compactada em três camadas de 0,1 m aplicando 50 golpes de um socador manual de 0,173 kN (17,63 kgf), ), caindo de uma altura de 0,55 m, apresentando ao final, uma energia de compactação de 33,04 kJ/m³(3,3 tf/m³). Com isso, foi obtido o peso especifico seco de 7,75 kN/m³ e teor de umidade 14%.
A verificação da compactação do cascalho foi realizada por meio de ensaio de funil de areia, realizado após a prova de carga. Também foi realizado ensaio DPL, conforme norma regulamentada pela união europeia, até a profundidade de 3 m para verificar alterações na capacidade de carga do perfil de solo.
.3.4 Procedimentos do ensaio
O ensaio de prova de carga em placa foi iniciado no dia 2 de abril de 2016 às 14 horas e 57 minutos com término às 21 horas e 13 minutos do mesmo dia. O carregamento da placa foi realizado conforme a ABNT (1984) estabelece, com estágios dobrados de cargas e leituras imediatas após os carregamentos em tempos de (1,2,4,8,15 minutos, etc). As leituras de deslocamento foram feitas em dois extensômetros fixados na base da placa, e observando a estabilização dos recalques com tolerância de 5% do recalque total das leituras.
Para carregamentos que ultrapassem o período de 30 minutos, a ABNT (1984) estabelece que o critério de estabilização de cada estágio de carregamento deve ser feito de acordo com a Equação (2),.:
“|Ln-Ln-1| ≤ 5%|Ln-L0| Equação (2)
Onde:
Ln =leitura final do estágio para um tempo “t”; Ln= leitura anterior para um tempo t/L;
L0 = leitura inicial do estágio (ou leitura final do estágio anterior).”
3.5 Interpretações dos dados
A interpretação dos dados para parâmetros de deformação foi feita conforme a teoria da elasticidade. Por ser um ensaio realizado com apenas um diâmetro de placa, foi-se adotada um hipótese de meio
homogêneo e assim utilizou-se a Equação (3) apresentada por Velloso e Lopes (2010).
qua o 3)
Onde:
s = recalque da tensão admissível; q = tensão admissível;
B = diâmetro da placa;
E* = módulo de elasticidade, com efeito do coeficiente de Poisson (kN/m²);
Is = fator de forma para carregamento na superfície de um meio de espessura finita.
Também foi calculado o coeficiente de reação vertical (Kv), obtido através da relação tensão x recalque, e dado pela Equação (4) apresentada por Velloso e Lopes (2010).
qua o 4)
Onde:
Kv = coeficiente de reação vertical
q = tensão equivalente ao recalque da fundação s = recalque da fundação
4 Análise dos Resultados
4.1. Verificação da compactação do solo
Através da realização do ensaio de Penetrômetro Dinâmico Leve (DPL), obteve-se a compacidade do cascalho. . A Tabela 1 mostra os valores N10 (número de golpes por camada de 0,1 m) encontrados para a camada de cascalho
Tabela 1 – Número de golpes a cada camada de 10 cm.
Fonte: Os autores 2016.
Considerando os dados da Tabela 1 e os parâmetros de ensaio DPL para solos não coesivos e não saturados trazidos por Azevedo e Guimarães (2009) e indicado na Tabela 2 conclui-se que a compactação do cascalho se classifica como média, por apresentar um número de 8 golpes a cada 10 cm de penetração na camada de cascalho.
Tabela 2 – Compacidade de solos não coesivos e não saturados.
Fonte: Azevedo e Guimarães, (2009).
Quando comparado com os dados para o mesmo solo apresentados por Pinto (2012), e mostrados na Figura 14, percebe-se que a compactação do cascalho aumentou significamente. Portanto, a 1 metro de profundidade, onde estava situada o topo da camada do reforço, o número de golpes por camada de 10 cm aumentou em três vezes. Para a profundidade de 2 metros a compacidade se manteve a mesma.
Figura 14 – Ensaio DPL na profundidade de 1 m (com o reforço do cascalho). Fonte: Os autores, 2016.
.
Por tanto, percebe-se que o resultado é suficiente, pela questão da compactação ter sido realizada manualmente.
4.2. Prova de carga em placa
Foram feitos oito carregamentos de 20 kN cada. Todos os estágios de carregamentos aparesentaram um tempo de estabilização de aproximadamente 30 minutos.
O ensaio foi encerrado no 8º carregamento, utilizando como critério de parada o fato de se ter atingido o recalque de 25 mm.
A Figura 16 apresenta os resultados encontrados, mostrando os deslocamentos medidos no centro e borda da placa.
Figura 16: Curvas tensão x recalque das regiões da borda e centro. Fonte: Os autores, 2016.
Ao final do ensaio verificou-se a tensão, de 160 kN/m². Através da Figura 16 é possível verificar que os recalques obtidos na região da borda da placa foram superiores ao da região central. Este comportamento é o esperado para carregamentos em placas flexíveis sobre solos granulares (camada de cascalho neste caso) (Aoki, 2010)
Em solos granulares, as regiões da borda de uma placa sofrem maiores recalques do que na região central, pois o material granular situado adjacente ao bordo é parcialmente confinado, e, portanto é mais compressivel que o centro confinado (Hachich et al, 1998). A Figura 17 representa o comportamento do modelo de recalque sobre placas flexíveis.
Figura 17 – Comportamento de racalque para placas flexiveis. A) Solos granulares. B) Solos argilosos. Fonte:Aoki,
2010.
A Figura 18 apresenta a curva de tensão x recalque média, entre borda e centro da placa.
1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 2 4 6 8 10 Nº de Golpes 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0 2 4 6 8 10 P ro fu n d ida d e ( m ) N10 (golpes) Os Autores Pinto (2012) 0 5 10 15 20 25 30 35 0 20 40 60 80 100 120 140 160 R e c a lque (m m ) Tensão (KN/m²) RECALQUE BORDA (mm) RECALQUE CENTRO (mm)
Figura 18 – Curva de tensão x recalque média. Fonte: Os autores, 2016.
O valor da tensão admissível foi obtido por meio da divisão da tensão encontrada, por um fator de segurança de valor 2. Como não houve ruptura do solo adotou-se como tensão de ruptura convencional aquela correspondente ao recalque de 25 mm. A Tabela 3 apresenta valores de tensões admissíveis encontradas para o solo analisado, sem reforço de fundação (obtido de Souza et al, 2014), e valores encontrados para o solo, com reforço de fundação.
Tabela 3 – Valores de tensão admissível. Região da placa Tensão admissível (kN/m²) Com reforço Centro 154 Borda 142 Médio 148 Sem reforço Centro 47 Borda 63 Médio 54,5 Fonte: Os autores, 2016.
Observa-se que as tensões admissíveis para todas as regiões da placa sobre com reforço de fundação são praticamente as mesmas, com diferença de 8%. É visto também que para projeto adotam-se valores médios e que quando comparados com valores encontrados por Souza et al, 2014, apresentam uma diferença nos valores obtidos, indicando que o reforço de fundação aumenta a capacidade de suporte em aproximadamente três vezes e logo que uma futura fundação rasa do tipo sapata poderá ter sua área reduzido na mesma relação.
Com base nos dados obtidos de tensão e recalque, é possível calcular os valores de deformabilidade do solo, segundo apresentado na Equação 2. Os valores do módulo de deformabilidade são apresentados na Tabela 4.
Tabela 4 – Valores de módulo de deformabilidade.
REGIÃO DA PLACA MÓDULO DE
DEFORMABILIDADE (kN/m²) MÉDIO (Com reforço de
fundação). 3157,00
MÉDIO (Sem reforço de fundação, obtido por
Souza, 2014).
2965,00 Fonte: Os autores, 2016.
Os valores de deformabilidade foram obtidos considerando um recalque de 26,99 mm para a região
central e 31,43 mm para região da borda, e utilizando fatores de influência tabelados para placas flexiveis. O valor médio encontrado, para uma fundação com reforço, foi 6% maior que aquele encontrado por Souza et al, 2014, ), indicando pouca influência da camada de cascalho na deformabilidade do solo. Ainda com dados obtidos através da tensão e recalque, é possível também calcular os valores do coeficiente de reação vertical. A Tabela 5 apresenta os valores.
Tabela 5 – Valores de reação vertical.
REGIÃO DA PLACA COEFICIENTE DE REAÇÃO
VERTICAL (kN/m) MÉDIO (Com reforço de
fundação). 10961,00
MÉDIO (Sem reforço de fundação, obtido por
Souza, 2014).
4360,00 Fonte: Os autores, 2016.
Os valores de reação vertical foram obtidos seguindo os mesmo valores de recalques para o módulo de deformabilidade. O valor médio encontrado para o coeficiente de reação vertical foi sensivelmente maior também é maior do que o encontrado por Souza et al, (2014), sendo 2,5 vezes maior.
Os resultados de tensão admissível e módulo de reação indicam que a camada de cascalho, quando utilizada na condição aqui analisada, resultou em uma boa solução para o aumento da capacidade de carga do solo típico de Sinop, porém, os resultados do módulo de deformabilidade indicam que quando se trata de redução de recalques a solução não apresenta resultados significativos.
5 Conclusão
O presente trabalho apresentou dados de um ensaio de prova de carga em placa, realizado com um reforço de fundação rasas com cascalho, executado na UNEMAT Campus de Sinop.
Os resultados obtidos indicam que o reforço de fundação rasa proposto aumentou a capacidade de suporte em aproximadamente três vezes quando comparado a um ensaio de prova de carga em placa,em solo natural implicando. Implicando assim que quando correlacionado a uma fundação rasa do tipo sapata, a mesma poderá ter seu tamanho reduzido em até três vezes,.
Os resultados de tensão admissível e módulo de reação indicam que a camada de cascalho, quando utilizada na condição aqui analisada, resultou em uma boa solução para o aumento da capacidade de carga do solo típico de Sinop, porém, os resultados do módulo de deformabilidade indicam que quando se trata de redução de recalques a solução não apresenta resultados significativos.
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus, por nunca ter me deixado desistir e me dado força nas piores horas. Aos meus pais, por terem me dado todo apoio e toda a educação que tive, por terem acreditado na minha capacidade. A minha irmã e minha namorada por terem dado todo o apoio quando necessário.
0 5 10 15 20 25 30 35 0 20 40 60 80 100 120 140 160 R e c a lque (m m ) Tensão (KN/m²)
Aos professores Mestre Júlio César Benatti e Mestre Maicon José Hilesheim pela disponibilidade e colaboração no ensaio.
Aos meus amigos, José Ricardo Chiló, Mizael Rodrigo, Sahydi Abrahão, Rick Douglas e Claudio Junior, que me ajudaram na execução do ensaio e nas interpretações do ensaio, e que sempre tiveram comigo em todo o período de graduação.
A todos que contribuiram e acreditaram no desenvolvimento do ensaio e que ajudaram como puderam para a realização do mesmo, Proeng Engenharia, JMS Engenharia, Mencato Tratores, Concrenop.
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