ALEXIA CINDY WAGNER
ANÁLISE DO MELHORAMENTO DE SOLO RESIDUAL ARGILOSO
LATERÍTICO ATRAVÉS DA EXECUÇÃO DE COLUNAS
PREENCHIDAS COM MATERIAL GRANULAR COMPACTADO
Ijuí 2018
ANÁLISE DO MELHORAMENTO DE SOLO RESIDUAL ARGILOSO
LATERÍTICO ATRAVÉS DA EXECUÇÃO DE COLUNAS
PREENCHIDAS COM MATERIAL GRANULAR COMPACTADO
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Civil apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheira Civil.
Orientador: Prof. Me. Carlos Alberto Simões Pires Wayhs
Ijuí /RS 2018
ANÁLISE DO MELHORAMENTO DE SOLO RESIDUAL ARGILOSO
LATERÍTICO ATRAVÉS DA EXECUÇÃO DE COLUNAS
PREENCHIDAS COM MATERIAL GRANULAR COMPACTADO
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRA CIVIL e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.
Ijuí, 20 de dezembro de 2018
Prof. Carlos Alberto Simões Pires Wayhs Mestre pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Orientador Prof. Lia Geovana Sala Coordenadora do Curso de Engenharia Civil/UNIJUÍ BANCA EXAMINADORA
Prof. Carlos Alberto Simões Pires Wayhs (UNIJUÍ) Mestre pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Prof. Paulo Cesar Rodrigues (UNIJUÍ) Mestre pela Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul
A Deus, por sempre ter guiado meus passos durante toda essa caminhada, sendo minha força e luz nos momentos mais difíceis.
Aos meus pais, por todo suporte emocional e financeiro. Obrigada por terem compartilhado esse sonho comigo, deixando muitas vezes seus desejos de lado para que tudo isso se tornasse possível. Obrigada por toda compreensão pela minha ausência durante alguns momentos em família, principalmente nesse último ano, saibam toda minha dedicação é um retorno por tudo que vocês fazem por mim. Amo vocês!
Ao meu irmão, por todo incentivo e ajuda durante a graduação. Sei que torce por mim assim como torço pelo teu sucesso! Obrigada por ser desde criança meu exemplo, minha primeira inspiração e referência para seguir no caminho dos estudos, sempre dando o meu melhor para alcançar notas boas assim como o “mano”. Amo você!
Ao meu namorado, que compartilhou diretamente esse sonho comigo. Faltam palavras para agradecer o quão importante você foi nessa caminhada. Obrigada por toda a ajuda quando eu mais precisei, sendo sempre meu maior apoiador e deixando muitas vezes suas coisas de lado para ajudar a resolver os meus problemas, pois sabe o quanto tudo isso significa para mim. Obrigada também por ser meu refúgio nos momentos de angústia, raiva e tristeza, mas também por ser a primeira pessoa a comemorar comigo minhas conquistas e alegrias. Obrigada por ser essa pessoa incrível, sou grata por ter você do meu lado! Te amo!
A todos os amigos que conquistei durante a graduação. Em especial à Thai que esteve comigo desde o início do curso, compartilhando todas as “emoções da engenharia”, com quem pude aprender e também ensinar. Obrigada por rir e chorar comigo, pelas caronas e por sempre nos mantermos unidas. À Lari, a quem conheci na metade do curso, mas se tornou uma grande amiga. Obrigada por todos os momentos juntas, por todos os almoços, por todos mutirões de estudo e por descobrir comigo o amor pela pesquisa, sofrendo nos dias de sol (e de chuva), sempre correndo atrás e lutando para que tudo desse certo. Com certeza tive a melhor companheira de grupo de pesquisa, você tem uma parte enorme nessa conquista! À Taci, por sempre estar disposta a ajudar, por todos as risadas e raivas compartilhadas, por todas as conversas e idas no Chiquinho no meio da semana para relaxar, além de todas as caronas durante a graduação (que muitas vezes salvavam). Obrigada a vocês três, vocês são especiais na minha
Ao Grupo PET pela convivência diária, pelos mates, lanches e por viverem a pesquisa de maneira intensa. Obrigada especialmente ao GPFund (Larissa, Fernanda, Thalia e Marcos) e também a todos os outros integrantes que se disponibilizaram a ajudar na execução deste TCC nos últimos meses. Graças a vocês os resultados foram alcançados, não teria conseguido sozinha! Saibam que podem contar sempre comigo no que puder ajudar!
Ao professor e orientador Carlos Alberto Simões Pires Wayhs, por toda sua dedicação e amor pelo que faz. Obrigada por não medir esforços para ver nossos sonhos se realizarem. O senhor me motiva e inspira a seguir no caminho da pesquisa! Obrigada por ter compartilhado seu conhecimento comigo durante esses anos, por todos os finais de semana corrigindo trabalhos, artigos, PTCC, TCC (e por realmente corrigir cada detalhe!). Obrigada por sempre dedicar seu tempo de maneira integral, por todas as dúvidas sanadas e considerações feitas sempre que necessário. Você é um exemplo de professor e orientador!
Ao MEC SeSU pela oportunidade de participar do Grupo PET Engenharia Civil da UNIJUÍ, o que me possibilitou trabalhar de maneira intensa na pesquisa, adquirindo ainda mais conhecimento durante a graduação.
À UNIJUÍ, por me proporcionar ensino de qualidade, obtendo o título de Engenheira Civil e também fornecer os instrumentos necessários à elaboração de pesquisa durante a graduação.
As empresas que disponibilizaram equipamentos para que o TCC fosse desenvolvido. A Funders por ceder o equipamento para escavação das colunas. A Camilo Terraplenagem por ceder a escavadeira hidráulica necessária a execução dos ensaios de placa, em especial aos funcionários que fizeram a movimentação da máquina inúmeras vezes para que todos os ensaios pudessem ser realizados. Obrigada pela disponibilidade e por contribuírem com a pesquisa!
Que os vossos esforços desafiem as impossibilidades, lembrai-vos de que as grandes coisas do homem foram conquistadas do que parecia impossível. Charles Chaplin
WAGNER, Alexia Cindy. Análise do melhoramento de solo residual argiloso laterítico através da execução de colunas preenchidas com material granular compactado. 2018. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Civil, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2018.
A crescente urbanização aliada a busca constante por terrenos, faz com que surja a necessidade do desenvolvimento de técnicas que promovam a ocupação de áreas com parâmetros de resistência indesejáveis, a fim de atender a demanda habitacional sem elevar os custos das obras. O melhoramento de solos se apresenta como uma alternativa de aumento da capacidade de carga e redução de recalques, favorecendo a utilização de fundações superficiais em locais que inicialmente exigiriam fundações profundas. Nesse sentido, a execução de colunas de compactação destaca-se como um método amplamente utilizado por ser um procedimento simples e de baixo custo. Assim, o presente trabalho de conclusão de curso buscou avaliar experimentalmente o tratamento de solo residual argiloso laterítico através da implantação de colunas de compactação preenchidas com brita 1 e RCC. Inicialmente, todos os materiais utilizados foram devidamente caracterizados, também sendo realizado ensaio SPT para conhecer o perfil do terreno a ser melhorado. Então, foram escavadas seis colunas com profundidade de 1,20 m e diâmetro de 25 cm, sendo que após a escavação, as mesmas foram preenchidas e compactadas em camadas considerando a energia normal. As colunas foram distribuídas da seguinte forma: quatro colunas preenchidas com brita 1 espaçadas entre eixos 0,75 m (três vezes o diâmetro); e mais duas colunas individuais, uma preenchida com brita 1 e a outra com RCC na forma de pedrisco. Após a finalização das colunas, iniciou-se a etapa de avaliação do melhoramento através de provas de carga em placa. Foram executados quatro ensaios utilizando uma placa metálica de 30 cm de diâmetro e escavadeira hidráulica de 22 toneladas como sistema de reação, sendo que os mesmos foram efetuados nos seguintes locais: sobre o solo natural, entre as quatro colunas de brita 1, sobre a coluna isolada de brita 1 e sobre a coluna de RCC. A partir das curvas carga x recalque obtidas pelas provas de carga em placa foi possível iniciar a comparação entre o solo natural e melhorado através da análise da tensão admissível e da ocorrência de recalques. Dessa maneira, constatou-se um aumento na tensão admissível para todas as situações de melhoramento, sendo que o solo entre as colunas de brita 1 apresentou o melhor resultado, alcançando uma melhoria de 46,16% em relação ao solo natural. Já a coluna de brita 1 apresentou desempenho intermediário com melhoria de 41,41% e a coluna preenchida com RCC gerou a menor eficiência, com acréscimo de apenas 4,86% na tensão admissível. Quanto aos recalques, verificou-se que a coluna de RCC apresentou os maiores níveis de recalque para todos os estágios de carregamento, enquanto o solo entre as colunas de brita 1 gerou as menores deformações. Além disso, observou-se que essa técnica de melhoramento proporciona uma parcela de retorno elástico ao solo, visto que todos os casos demonstraram recuperação maior da que o solo apresenta em seu estado natural. Finalmente, a partir dos valores obtidos constata-se a viabilidade de implantação de colunas de compactação preenchidas com material granular (especialmente brita), para melhoramento de solo residual argiloso laterítico.
Wagner, Alexia Cindy. Analysis of the improvement of residual clayey lateritic soil through the execution of columns filled with compacted granular material. 2018. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Civil, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2018.
The growing urbanization combined with the constant search for lands, makes necessary to develop techniques that promote the occupation of areas with undesirable resistance parameters, in order to meet the housing demand without increasing the costs of the buildings. The soil improvement presents like an alternative of increasing the bearing capacity and reduction of settlements, favoring the use of shallow foundations in places that initially would require deep foundations. In this way, the execution of compaction columns stands out as a widely used method because it is a simple and low cost procedure. Thus, the present work pretended to assess the improvement of residual clayey lateritic soil through the implantation of compaction columns filled with gravel and with construction waste. Initially, all the materials used were duly characterized, also being carried out Standard Penetration Test (SPT) in order to know the profile of the terrain to be improved. Then, escaved six columns with depth of 1.20 m and diameter of 25 cm, and after excavation they were filled and compacted in layers considering the normal energy. The columns were distributed as follows: four columns filled with gravel spaced 0.75 m between axes (three times the diameter); and two more individual columns, one filled with gravel and the other with construction waste in the form of small gravel. After the finished of the columns, the step of assessment the improvement was started through of plate load tests. Carried out four tests using a 30 cm diameter metal plate and a 22 ton hydraulic excavator as a reaction system, the tests were carried out in the following places: on the natural soil, between the four columns of gravel, on the isolated column os gravel and on the construction waste column. With the strain x settlement curves obtained by the plate load tests was possible to start the comparison between the natural and improved soil through the analysis of the admissible strain and the occurrence of settlements. In this way, verified an increase in the admissible strain for all improvement situations, and the soil between the gravel columns presented the best result, achieving a 46.16% improvement in relation to the natural soil. On the other hand, the column of gravel presented intermediate performance with 41.41% improvement and the column filled with construction waste generated the lowest efficiency, with an increase of only 4.86% in the admissible strain. About the assetlements, verified that the construction waste column presented the highest levels of assetlements for all load stages, while the soil between the columns of gravel generated the smallest deformations. In addition, observed that this improvement technique provides an elastic return to the soil, because all the cases showed a bigger recovery than the soil presents in its natural state. Finally, from the obtained values, verified the feasibility of implantation compaction columns filled with granular material (especially gravel) for the improvement of residual clayey lateritic soil. Keywords: Compaction columns. Soil improvement. Shallow foundations.
Figura 1: Perfil típico de solo residual... 29
Figura 2: Depósito de solos transportados ... 30
Figura 3: Perfil tipo de solos tropicais ... 32
Figura 4: Ocorrência de solos lateríticos no Brasil... 32
Figura 5: Gráfico de Plasticidade ... 36
Figura 6: Sistema Unificado de Classificação de Solos ... 36
Figura 7: Classificação HRB/AASHTO ... 37
Figura 8: Gráfico para classificação MCT ... 39
Figura 9: Fundação superficial e profunda ... 39
Figura 10: Técnicas de melhoramento ideais para cada granulometria ... 42
Figura 11: Curvas de compactação para diferentes energias ... 47
Figura 12: Colunas executadas por vibro-substituição ... 49
Figura 13: Fases execução vibro-substituição ... 50
Figura 14: Estágios de execução de coluna por vibro-deslocamento ... 51
Figura 15: Execução colunas de solo-cimento (DSM) ... 55
Figura 16: Aterro executado sobre colunas encamisadas ... 56
Figura 17: Execução de colunas de jet grouting ... 57
Figura 18: Sistemas tradicionais de jet grouting ... 57
Figura 19: Equipamento utilizado no SPT ... 59
Figura 20: Provas de carga quanto à localização ... 61
Figura 21: Provas de carga quanto ao tipo de placa ... 61
Figura 22: Sistema utilizado para realização de ensaios de placa ... 62
Figura 23: Formas de execução da prova de carga em placa ... 63
Figura 24: Sistema solo - sapata ... 63
Figura 25: Bulbo de tensões ... 64
Figura 26: Comparação entre diferentes bulbos de tensões ... 65
Figura 27: Ruptura generalizada... 66
Figura 28: Ruptura localizada... 66
Figura 29: Ruptura por puncionamento ... 67
Figura 30: Mecanismos de ruptura de estacas de compactação ... 67
Figura 31: Prova de cargas em placa e sapata (argila) ... 70
Figura 35: Solo do local de estudo ... 74
Figura 36: Brita utilizada nas colunas ... 75
Figura 37: RCC utilizado nas colunas ... 76
Figura 38: Execução do ensaio SPT ... 77
Figura 39: Locação do sítio para execução da pesquisa ... 78
Figura 40: Posicionamento das colunas de compactação ... 79
Figura 41: Profundidade adotada para as colunas ... 80
Figura 42: Soquete metálico utilizado na compactação ... 81
Figura 43: Equipamento utilizado na perfuração das colunas ... 82
Figura 44: Sequência executiva da escavação das colunas ... 82
Figura 45: Retirada do solo para abertura do fuste ... 83
Figura 46: Sequência executiva do processo de compactação ... 84
Figura 47: Transporte dos materiais de preenchimento... 85
Figura 48: Preenchimento das colunas ... 85
Figura 49: Etapas 1, 3 e 4 da sequência executiva das colunas ... 86
Figura 50: Etapas 5, 6 e 7 da sequência executiva das colunas ... 86
Figura 51: Etapas 8, 9 e 10 da sequência executiva das colunas ... 87
Figura 52: Conferência das camadas para a coluna de RCC ... 87
Figura 53: Marcação das alturas necessárias ... 88
Figura 54: Sequência executiva do processo de compactação ... 88
Figura 55: Colunas finalizadas ... 89
Figura 56: Ensaios de placa no terreno melhorado ... 90
Figura 57: Escavadeira hidráulica utilizada como sistema de reação ... 90
Figura 58: Sistema de transmissão de cargas ... 91
Figura 59: Sistema de leitura ... 91
Figura 60: Nivelamento das placas ... 92
Figura 61: Placas após carregamento (SN, ECB1) ... 93
Figura 62: Placas após carregamento (SCB1, SCRCC) ... 94
Figura 63: Mapa pedológico da região de Ijuí ... 95
Figura 64: Mapa geológico da região de Ijuí ... 96
Figura 68: Curva granulométrica do RCC ... 100
Figura 69: Curva carga-recalque ensaio de placa SN ... 102
Figura 70: Curva carga-recalque ensaio de placa ECB1 ... 103
Figura 71: Curva carga-recalque ensaio de placa SCB1 ... 105
Figura 72: Curva carga-recalque ensaio de placa SCRCC ... 106
Figura 73: Curvas carga-recalque obtidas ... 107
Figura 74: Tensão admissível para cada local ... 108
Figura 75: Recalques referentes às tensões admissíveis ... 110
Figura 76: Aumento recalques para cada carregamento ... 111
Tabela 1: Terminologia do SUCS ... 35
Tabela 2: Energias de compactação ... 47
Tabela 3: Ensaios de caracterização e respectivas normas ... 75
Tabela 4: Energia de compactação utilizada nas colunas ... 80
Tabela 5: Identificação das provas de carga realizadas ... 89
Tabela 6: Limites de Atterberg do solo do Campus ... 96
Tabela 7: Classificação convencional do solo do Campus ... 97
Tabela 8: Coeficientes e classificação MCT do solo do Campus... 98
Tabela 9: Recalques ensaio de placa SN ... 101
Tabela 10: Recalques ensaio de placa ECB1... 103
Tabela 11: Recalques ensaio de placa SCB1 ... 104
Tabela 12: Recalques ensaio de placa SCRCC ... 106
Tabela 13: Tensão admissível pelo ensaio de placa ... 108
Tabela 14: Porcentagem de aumento da resistência ... 109
Tabela 15: Recalques para cada estágio de carregamento ... 111
AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ASCE American Society of Civil Engineers CC Coeficiente de curvatura
CLT Cyclic Load Test
CNPQ Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNU Coeficiente de não uniformidade
CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente
CPRM Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais CRP Constant Rate of Penetration
DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem
DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes DSM Deep Soil Mixing
ECB1 Ensaio de placa sobre o solo entre as colunas de brita 1 HRB Highway Research Board
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
IG Índice de grupo
IP Índice de plasticidade
IRDeR Instituto Regional de Desenvolvimento Rural
ISSMEF International Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering L Solo de comportamento laterítico
LL Limite de liquidez LP Limite de plasticidade
MCT Miniatura compactada tropical MCV Moisture condition value ME Método de ensaio
MEC/SESu Ministério da Educação / Secretaria de Educação Superior N Solo de comportamento não laterítico
NBR Norma Brasileira
PET Programa de Educação Tutorial QML Quick Maintained Load Test RCC Resíduo da construção civil
SCB1 Ensaio de placa sobre coluna de brita 1 SCRCC Ensaio de placa sobre coluna de RCC
SCT Swedish cyclic test
SML Slow mantained load test
SN Ensaio de placa sobre o solo natural
SPT Standard penetration test
SUCS Sistema unificado de classificação de solos TCC Trabalho de Conclusão de Curso
IG Índice de grupo válido entre 0 e 20;
a Porcentagem passante na peneira nº 200 menos 35% (entre 0 e 40) b Porcentagem passante na peneira nº 200 menos 15% (entre 0 e 40) c LL menos 40% (entre 0 e 20)
d IP menos 10% (entre 0 e 20) γd Peso específico aparente seco w Teor de umidade do solo EC Energia de compactação
W Peso do soquete
H Altura de queda do soquete n Número de golpes por camada
c Número de camadas
V Volume do molde cilíndrico NSPT1 Obtido com a energia E1
NSPT2 Obtido com a energia E2
NSPT Número de golpes do amostrador padrão
NSPT, 72 Número de golpes considerando 72% de energia de cravação
NSPT, 60 Número de golpes considerando 60% de energia de cravação
ϵ Energia do peso do martelo pela altura de queda padronizados
σ Tensão
P Força vertical aplicada B Menor dimensão da fundação
σ r Tensão de ruptura
σ 25 Tensão correspondente ao recalque de 25mm
σ 10 Tensão correspondente ao recalque de 10mm
σ (d/30) Tensão referente ao recalque igual ao diâmetro da placa dividido por 30
ρs Recalque da sapata
ρp Recalque da placa
Bs Diâmetro proporcional da fundação
1 INTRODUÇÃO ... 22 1.1 Contexto ... 22 1.2 Problema ... 25 1.2.1 Questões de Pesquisa ... 26 1.2.2 Objetivos de Pesquisa ... 27 1.2.3 Delimitação ... 27 2 REVISÃO DA LITERATURA ... 28
2.1 Origem dos solos ... 28
2.1.1 Solos Residuais ... 29
2.1.2 Solos Transportados ... 30
2.2 Solos tropicais ... 31
2.2.1 Lateríticos ... 32
2.2.2 Saprolíticos ... 33
2.3 Sistemas de classificação dos solos ... 34
2.3.1 Sistema Unificado de Classificação de Solos – SUCS ... 34
2.3.2 Sistema Rodoviário de Classificação de Solos – HRB/AASHTO ... 36
2.3.3 Metodologia MCT ... 38
2.4 Fundações ... 39
2.4.1 Fundações Superficiais ... 40
2.4.2 Fundações Profundas ... 41
2.5 Técnicas de melhoramento de solos ... 41
2.5.1 Solos não-coesivos ... 43
2.5.1.1 Vibroflotação ... 43
2.5.1.2 Estacas de compactação ... 43
2.5.1.3 Explosivos ... 44
2.5.2.2 Eletroosmose ... 44
2.5.2.3 Tratamento térmico ... 45
2.5.2.4 Aditivos ... 45
2.5.2.5 Injeção de compactação ... 45
2.6 Estabilização por compactação ... 46
2.7 Colunas de compactação ... 48
2.7.1 Métodos executivos convencionais ... 48
2.7.1.1 Vibro-substituição ... 48
2.7.1.2 Vibro-deslocamento ... 50
2.7.2 Tipos de coluna ... 51
2.7.2.1 Colunas granulares ... 52
2.7.2.2 Colunas de solo compactado ... 54
2.7.2.3 Colunas de solo-cimento ... 54
2.7.2.4 DSM (Deep Soil Mixing) ... 55
2.7.2.5 Colunas encapsuladas/encamisadas ... 55
2.7.2.6 Jet grouting ... 56
2.8 Avaliação do solo melhorado ... 58
2.8.1 Ensaio SPT ... 58
2.8.2 Ensaio de Placa ... 60
2.9 Capacidade de carga e recalque ... 63
2.9.1 Distribuição de tensões ... 64
2.9.2 Mecanismos de ruptura ... 66
2.9.3 Tensão admissível ... 68
2.9.4 Recalques ... 69
3.3 Local de estudo ... 73 3.4 Materiais e caracterização ... 74 3.4.1 Solo ... 74 3.4.2 Brita ... 75 3.4.3 RCC ... 76 3.5 Ensaio SPT ... 77 3.6 Locação do sítio ... 78
3.7 Execução das colunas de compactação ... 79
3.7.1 Profundidade das colunas ... 79
3.7.2 Energia de compactação ... 80 3.7.3 Método de perfuração ... 81 3.7.4 Preenchimento e compactação ... 83 3.8 Ensaios de placa ... 89 3.9 Metodologias de cálculo ... 94 4 RESULTADOS ... 95
4.1 Caracterização dos materiais ... 95
4.1.1 Solo ... 95 4.1.2 Brita ... 99 4.1.3 RCC ... 100 4.2 Ensaio SPT ... 100 4.3 Ensaios de placa ... 101 4.3.1 Solo natural (SN) ... 101
4.3.2 Solo entre colunas de brita (ECB1) ... 102
4.3.3 Sobre coluna de brita (SCB1) ... 104
4.6 Padrão de ruptura ... 113
5 CONCLUSÃO ... 114
REFERÊNCIAS ... 116
APÊNDICE A – CROQUI DO SÍTIO ... 125
APÊNDICE B – LEITURAS ENSAIO DE PLACA SN ... 126
APÊNDICE C – LEITURAS ENSAIO DE PLACA ECB1 ... 128
APÊNDICE D – LEITURAS ENSAIO DE PLACA SCB1 ... 130
APÊNDICE E – LEITURAS ENSAIO DE PLACA SCRCC ... 132
APÊNDICE F – ÍNDICES PLUVIOMÉTRICOS ... 134
1 INTRODUÇÃO
A presente pesquisa tem como tema a análise do melhoramento de um solo residual laterítico do noroeste do Rio Grande do Sul através da execução de colunas de compactação, visando aumentar a resistência e reduzir os seus recalques, possibilitando a minimização do custo das obras. O estudo limita-se a utilização de colunas de compactação preenchidas por brita e RCC (resíduo da construção civil), buscando-se comparar as propostas de melhoramento com o solo em estado natural através da realização de provas de carga em placa entre e sobre colunas, a fim de aferir seus desempenhos quanto à capacidade de carga e recalque, analisando se há melhoria no comportamento do solo. O trabalho vincula-se a área de geotecnia, estando diretamente ligado à engenharia de fundações. Ainda, está inserido no projeto de pesquisa institucional intitulado “Estudo da Capacidade de Carga e Recalque de Solos Residuais do Noroeste do Rio Grande do Sul”, vinculado ao Grupo de Pesquisa em Novos Materiais e Tecnologias para a Construção, cadastrado no Diretório dos Grupos de Pesquisa no Brasil do CNPQ.
1.1 Contexto
Ao longo da história, o homem foi desafiado a enfrentar os problemas apresentados pela natureza, a fim de garantir sua sobrevivência. Conforme as dificuldades surgiam, o ser humano precisou desenvolver a habilidade de raciocinar e utilizar os diferentes materiais disponíveis para se adaptar às alterações do meio em que vivia. A cada vitória conquistada, o homem foi impulsionado a buscar novas descobertas, atingindo níveis de conhecimento surpreendentes (ABREU, 2013).
Conforme Nápoles Neto (1998), os homens primitivos tiveram a necessidade de buscar abrigo para se proteger do clima (chuva, tempestades), habitando cavernas durante um longo período. Entretanto, não eram todos os locais que possuíam uma geologia com cavernas disponíveis, obrigando-os a construir o próprio refúgio. Foi assim que o solo, material mais primitivo que se tem notícia apresentou-se como uma das primeiras preocupações em termos construtivos, pois não se conhecia nada sobre suas características.
O fato de o solo apresentar grande disponibilidade na natureza e um custo baixo fez com que ele fosse amplamente empregado em diferentes edificações (CONSOLI; FESTUGATO, 2015).
______________________________________________________________________________ Desde que os primeiros seres humanos tiveram contato com o solo, esse material passou a ter um estudo contínuo devido à elevada complexidade de seu comportamento ao ser utilizado em obras de construção civil. Sabe-se hoje que os solos apresentam características distintas entre si, não podendo serem tratados de maneira uniforme, já que dependem da sua origem e processo de formação, o que faz com que cada solo responda de maneira variável às solicitações aplicadas pela estrutura (PINTO, 2016).
Desde a antiguidade, um dos principais entraves na execução das obras, se refere ao uso do solo como suporte para as estruturas. Esse vínculo entre a edificação e o solo é feito por meio de estruturas denominadas fundações. De acordo com Quaresma et al. (2016), para a elaboração de projetos de fundações é fundamental o conhecimento adequado dos solos, bem como a identificação e classificação das diferentes camadas que o constituem, a fim de avaliar suas propriedades geotécnicas. Outro fator importante no projeto, segundo Pinto (2016) é a análise do carregamento aplicado pela edificação em conjunto com a resposta do solo ao receber tais solicitações.
De acordo com Falconi, Niyama e Orlando (2016) há três critérios principais que norteiam a escolha de uma fundação, sendo eles: técnico, econômico e de mercado. O critério técnico limita o uso de certos elementos, pois deve garantir a segurança à ruptura e evitar recalques excessivos, sem prejudicar edificações existentes na vizinhança. Já os demais critérios devem ser considerados depois da escolha das fundações que são tecnicamente viáveis para determinado empreendimento. A partir de tais afirmações, verifica-se que o desafio do projetista é encontrar a alternativa de menor custo, mas que seja tecnicamente viável.
Segundo a NBR 6122 “Projeto e Execução de Fundações” (ABNT, 2010) é possível separar os elementos de fundação em dois grandes grupos: fundações superficiais (também chamadas de rasas ou diretas) e fundações profundas. As fundações superficiais possuem essa nomenclatura por serem apoiadas sobre o solo em uma profundidade pequena em relação ao solo que está ao seu redor (TEIXEIRA; GODOY, 2016). Conforme Velloso e Lopes (1998, apud LUNKES, 2016) alguns exemplos de fundações rasas são as sapatas e os blocos, elementos mais simples que devem ser utilizados sempre que possível por serem mais econômicos, enquanto que as fundações profundas devem ser executadas somente quando for estritamente necessário, já que apresentam
um custo elevado devido à dificuldade de execução, mão de obra especializada e consumo maior de concreto.
Apesar das fundações superficiais apresentarem inúmeras vantagens, segundo Casagrande (2001), muitos dos materiais disponíveis na natureza não satisfazem as condições necessárias - como baixa deformabilidade e boa capacidade de carga - para a sua utilização como elemento de suporte. Por esse motivo, na maioria destes casos se adota o uso de fundações profundas como alternativa para os terrenos que apresentam deformabilidade alta e capacidade de carga reduzida, já que podem ser assentados em camadas mais profundas que ofereçam a resistência adequada. Contudo, conforme apresentado anteriormente, essa atitude pode representar um aumento considerável do custo da obra, além de muitas vezes sua execução ser inviável tecnicamente.
O desenvolvimento e crescimento acelerado dos centros urbanos tornou a busca por terrenos mais competitiva, sendo que os espaços com melhores características são ocupados primeiro, restando apenas àqueles em situações desfavoráveis, em que solos de baixa resistência necessitam suportar fundações de prédios e grandes edificações (SOARES, Wilson, 2002). Conforme Arévalos Burró (2015), quando os solos não satisfazem parâmetros de resistência, permeabilidade ou deformabilidade exigidos para determinado projeto, a atitude habitual é a remoção e substituição de tais solos, ou a utilização de fundações profundas e dispendiosas. Porém, ainda a mesma autora comenta que atualmente há a opção do uso de diferentes técnicas de melhoramento dos solos, uma prática viável na maioria das situações e que proporciona mais economia que as alternativas previamente utilizadas.
De acordo com Wilson Soares (2002), a melhoria de solos tem se tornado usual nos projetos de engenharia civil, pois permite a execução de inúmeras obras ao satisfazer critérios técnicos e econômicos ao mesmo tempo que propiciam a correta utilização do solo. Assim, quando o engenheiro se defronta com solos de qualidade baixa, uma das soluções é investir na estabilização desse material a partir de técnicas que melhoram as propriedades físicas dos solos, transformando-os em novtransformando-os materiais geotécnictransformando-os e capazes de resistir à estrutura proptransformando-osta (DONATO, 2007).
Assim, os autores Consoli e Festugato (2015) afirmam que muitas alternativas para melhoria dos solos e de seu desempenho já são habitualmente utilizadas, contudo, apesar de ser uma técnica antiga, o melhoramento de solos é o método executivo mais curioso dentro da
______________________________________________________________________________ engenharia geotécnica. Segundo Donato (2007), como o Brasil é um país em desenvolvimento e necessita de novas tecnologias que proporcionem a ampliação de malhas rodoviárias e redução do déficit habitacional a partir da construção de novos empreendimentos, é fundamental estudar materiais alternativos que oportunizem a ocupação das áreas desfavorecidas.
A partir de estudos, já são conhecidos e utilizados diferentes processos para o melhoramento de solos, dentre eles há os que propiciam o aumento da densidade do solo a partir de diversos processos de compactação (PASSOS, 2005). Freitas (2016) afirma que a técnica de melhoramento do solo através de colunas de compactação está sendo largamente utilizada com o objetivo de reduzir a compressibilidade de solos pouco resistentes e melhorar suas propriedades geotécnicas, sendo que o método consiste na introdução de material compactado no solo com grandes energias por meio de esforços dinâmicos, vibração ou grande pressão.
Dessa maneira, a participação da autora no projeto de pesquisa citado anteriormente desperta a curiosidade quanto ao comportamento do solo após ser submetido a uma técnica de melhoramento, avaliando se realmente há alteração em seu desempenho. A execução de tal trabalho justifica-se pelo fato de que somente através de tentativas, estudo detalhado, aplicação de diferentes materiais e ensaios práticos é possível encontrar soluções que propiciem a economia e segurança para as obras de fundações, fundamentais em qualquer edificação.
1.2 Problema
De acordo com Rodrigues (2018) o desenvolvimento humano aliado as suas atividades e necessidades tende a aumentar a demanda por solos que apresentem condições geotécnicas específicas, dificultando e também instigando a elaboração de projetos que envolvam o melhoramento de solos para atender tais solicitações. Conforme Passos (2005), a seleção do método de melhoramento que será adotado depende do solo e seu estado natural, da estrutura prevista em projeto, da profundidade que deve receber o melhoramento, do grau de compactação necessário, possíveis riscos, nível de água, disponibilidade de equipamentos, experiência, tempo e valores envolvidos.
Wanessa Soares (2005) apresenta o método de colunas de compactação, o qual consiste em um procedimento de melhoria do solo, em que uma mistura de materiais como areia, cimento e
brita é incorporada em diferentes terrenos através de grandes energias de compactação. A compactação com a utilização de estacas proporciona a densificação do solo que está nas proximidades, aliada ao aumento da resistência e redução da compressibilidade, o que acarreta na ampliação da capacidade de carga e diminuição dos recalques, tornando viável o uso de fundações superficiais em terrenos que antes não permitiriam tal fundação (SOARES, Wanessa, 2005).
Wilson Soares (2002) afirma que o método de colunas de compactação é amplamente utilizado em empreendimentos de grande e médio porte, todavia, há poucos estudos divulgados sobre o real comportamento de solos melhorados através da utilização desse método. Esse fato leva os engenheiros a executarem as obras a partir da própria experiência, o que representa um problema e fomenta a realização de mais estudos geotécnicos a fim de esclarecer as dúvidas em relação à eficiência do método. No Brasil, a maneira mais adequada para avaliar o solo melhorado é por meio de ensaios SPT (standard penetration test) - ensaio que avalia a resistência do solo em diferentes profundidades por meio da penetração de um amostrador padrão – em conjunto com provas de carga sobre placa (PASSOS, 2005).
O ensaio de carregamento em placa, que também é conhecido por prova de carga em placa ou simplesmente ensaio de placa, é uma das melhores formas de determinação das características de deformação dos solos (QUARESMA ET AL., 2016). Teixeira e Godoy (2016) afirmam que a prova de carga sobre placa pode ser entendida como um ensaio que representa um modelo reduzido de uma sapata, sendo criada de maneira empírica quando se buscava obter dados referentes ao comportamento tensão-deformação de solos sujeitos aos descarregamentos das fundações. Dessa maneira, a placa representa a fundação escolhida e verifica-se qual será o comportamento do solo frente ao carregamento da placa, possibilitando avaliar diferentes solos e compará-los a fim de comprovar se o método de melhoramento é eficiente.
1.2.1 Questões de Pesquisa
A partir do problema, foi definida como questão principal da pesquisa:
A execução de colunas de compactação em solo residual laterítico preenchidas com material granular acarreta em melhoria de seu desempenho em relação ao comportamento no estado natural?
______________________________________________________________________________ A questão principal origina demais questões secundárias:
há diferença no desempenho do solo aplicando diferentes materiais de preenchimento nas colunas?
o melhoramento é mais efetivo sobre a coluna ou no solo localizado entre colunas de compactação?
o comportamento carga-recalque é semelhante para fundações assentes no solo melhorado e no solo natural?
1.2.2 Objetivos de Pesquisa
O objetivo geral da pesquisa é avaliar o melhoramento de solo residual argiloso laterítico após execução de colunas de compactação preenchidas por material granular, considerando resultados obtidos por meio de provas de carga em placa.
Já os objetivos específicos são:
realizar ensaio SPT para conhecer o perfil geotécnico do terreno;
executar colunas de compactação preenchidas com brita e com resíduo da construção civil;
realizar ensaios de placa no solo natural e no terreno após o melhoramento (entre e sobre colunas);
comparar resultados de tensão admissível, tensão de ruptura e de recalque entre o solo natural e o terreno após o melhoramento;
verificar qual material de preenchimento proporciona melhor desempenho ao solo; analisar o comportamento da fundação quando assente sobre uma coluna de
compactação ou sobre o solo localizado entre colunas;
aferir se há vantagens na aplicabilidade de colunas de compactação nos solos residuais argilosos lateríticos da região noroeste do Rio Grande do Sul.
1.2.3 Delimitação
A pesquisa pretende analisar o comportamento de solo melhorado por colunas de compactação preenchidas com brita e RCC a partir da execução de provas de carga em placa realizadas sobre e entre colunas, a fim de viabilizar a utilização de fundações superficiais
2 REVISÃO DA LITERATURA
No presente capítulo serão abordados conceitos relevantes ao adequado desenvolvimento do estudo referente a execução de colunas de compactação em solos lateríticos a fim de melhorá-los para proporcionar a implantação de fundações superficiais. Dividiu-se em dez itens, apresentados em ordem que facilite o entendimento, iniciando-se pela origem dos solos, solos tropicais, sistemas de classificação dos solos, fundações, técnicas de melhoramento de solos, estabilização por compactação, colunas de compactação, avaliação do solo melhorado e concluindo-se com capacidade de carga e recalque.
2.1 Origem dos solos
O termo solo é originado do Latim solum que significa suporte, superfície ou base. De acordo com Vargas (1977), a palavra solo oferece inúmeras interpretações, podendo ser adaptada à diferentes áreas conforme sua aplicação. Considerando somente o termo solo, este significa exclusivamente a superfície do chão, já na mecânica dos solos, a expressão adquire significado específico, sendo denominado como um material de construção e mineração. Ainda, na engenharia civil, o termo solo pode ser caracterizado como todo material da crosta terrestre que possibilita à escavação mecânica e que perde praticamente toda sua resistência quanto em contato prolongado com a água (VARGAS, 1977).
A NBR 6502 (ABNT, 1995) define solo como um material resultante da decomposição das rochas devido à atuação de agentes químicos ou físicos, sendo possível haver a presença de matéria orgânica ou não em sua constituição. Em complemento, Pinto (2016) afirma que os solos são partículas que dependem da composição da rocha que lhes dá origem, sendo formados pela desagregação das mesmas através de ações físicas e químicas.
Conforme Villibor et al. (2009) o solo é um material natural composto por grãos que são separáveis por processos hidráulicos e mecânicos que não exigem muita energia, apresentando-se em um estado não consolidado que permite a escavação com equipamentos usualmente empregados em obras de terraplenagem. Além das partículas sólidas, os solos são compostos por água e ar nos espaços intermediários, sendo que as partículas normalmente possuem liberdade de deslocamento entre si (PINTO, 2016).
______________________________________________________________________________ O autor Pinto (2016) ainda afirma que os solos possuem comportamentos distintos ao receber as solicitações provenientes de obras de engenharia, devido a diversidade dos processos de sua formação. Dessa maneira, a classificação dos solos pela origem é fundamental para compreender seus comportamentos e características. Conforme o DNIT (2006) os solos podem ser divididos em dois grandes grupos de acordo com a origem de seus constituintes: solo residual e solo transportado, sendo apresentados nos subitens seguintes.
2.1.1 Solos Residuais
Conforme Pinto (2016) os solos residuais são resultantes da decomposição das rochas e localizam-se no próprio local em que se formaram. Para que esse tipo de solo se forme é necessário que a velocidade de decomposição da rocha seja maior do que a velocidade de arraste dos produtos gerados pela decomposição, sendo que os fatores que influenciam nessa velocidade são o clima (temperatura e chuvas), o tempo, a natureza da rocha original, a drenagem, vegetação e atividades biológicas (MARTÍNEZ, 2003).
Em regiões tropicais, decomposições rápidas das rochas são favorecidas pelas condições climáticas existentes. Por isso, de acordo com o DNIT (2006), esse tipo de solo ocorre com mais frequência nesses locais, incluindo o Brasil, principalmente na região Centro-Sul.
A composição dos solos residuais depende do tipo e da composição mineralógica da rocha mãe que lhe deu origem, sendo que todos os tipos de rochas podem formar solos residuais, os quais se apresentam mais homogêneos por se manterem in situ (DNIT, 2006). O professor Pinto (2016) destaca que os solos residuais apresentam horizontes com grau de intemperização decrescente, sendo que os que estão mais na superfície possuem maior degradação. O perfil típico desse tipo de solo pode ser visualizado na Figura 01.
Figura 1:Perfil típico de solo residual
Segundo Pinto (2016) o perfil é dividido nas seguintes fases:
a) Solo residual maduro: solo superficial que perdeu toda a estrutura original da rocha mãe e tornou-se relativamente homogêneo.
b) Saprolito (solo residual jovem ou solo de alteração de rocha): solo que mantém a estrutura original da rocha-mãe mas perdeu a consistência da rocha, possuindo pequena resistência ao manuseio.
c) Rocha alterada: horizonte em que a alteração avançou ao longo de fraturas ou zonas menos resistentes, mantendo grandes blocos da rocha original intactos.
2.1.2 Solos Transportados
Os solos transportados são aqueles levados ao seu local de depósito através de algum agente de transporte, tendo suas características dependentes do agente transportador (PINTO, 2016). Conforme o DNIT (2006) esses solos se depositam e sedimentam afastados da rocha-mãe, formando depósitos mais inconsolidados e fofos que os solos residuais, com profundidades variáveis. A Figura 02 apresenta um exemplo de local constituído por solos transportados.
Figura 2:Depósito de solos transportados
Fonte: DNIT (2006, p. 19)
Esses solos apresentam maior heterogeneidade, visto que o depósito de diferentes solos é feito de maneira irregular, formando perfis com solos de características e resistências variáveis. Solos transportados ocorrem em áreas mais restritas, sujeitas aos agentes de transportes, enquanto os residuais ocorrem de maneira geral, sendo considerados mais comuns (DNIT, 2006).
______________________________________________________________________________ Os solos transportados podem ser divididos de acordo com os agentes de transporte, sendo esses, segundo Pinto (2016):
a) Ação da gravidade: solos coluvionares, como escorregamentos formando os talus nos pés de taludes, massas de materiais diversos e sujeitos a movimentações de rastejo. b) Carreamento pela água: aluviões, ou solos aluvionares, em que sua constituição
depende da velocidade das águas na deposição, gerando camadas de granulometrias distintas.
c) Vento: depósitos eólicos, compostos de partículas bastante arredondadas, devido ao atrito constante entre as partículas.
d) Geleiras: drifts, de pequena ocorrência no Brasil. 2.2 Solos tropicais
A região tropical é aquela que apresenta predominância de clima tropical, em que há temperatura anual média acima dos 20°C, índice pluviométrico acima de 1000 mm/ano e impossibilidade de congelamento do solo na estação mais fria (BALBO, 2007). Segundo o Comitê de Solos Tropicais da International Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering - ISSMFE (1985) os solos tropicais são aqueles que apresentam propriedades e comportamentos diferenciados em relação à solos não tropicais, o que ocorre devido a atuação de processos geológicos e/ou pedológicos típicos das regiões tropicais úmidas.
Conforme Zorzi (2008) a maioria das peculiaridades de solos tropicais deve-se às condições climáticas existentes no local em que esses se situam ou as que predominam no período de sua transformação. De acordo com Martínez (2003) os solos residuais tropicais representam a maioria dos solos residuais, exigindo maiores estudos para que seu comportamento seja plenamente compreendido.
Nas regiões de solos tropicais encontram-se os seguintes tipos de solos: lateríticos, saprolíticos e transportados, sendo que o perfil de sua ocorrência pode ser verificado na Figura 03. Percebe-se que os solos lateríticos estão localizados nas camadas superficiais do perfil do terreno (horizontes A e B), enquanto os solos saprolíticos localizam-se mais próximos à rocha-mãe.
Figura 3:Perfil tipo de solos tropicais
Fonte: Villibor et al. (2009, p. 19)
2.2.1 Lateríticos
O termo later significa tijolo em latim e ito significa material pétreo. Por se localizarem na superfície, solos lateríticos podem ser de origem residual ou transportados. Os solos lateríticos são formados por acentuado intemperismo físico e químico das rochas a partir de variações climáticas (NOGAMI; VILLIBOR, 1995). Por se tratar de um país de clima predominantemente tropical, Pinto (2016) afirma que os solos denominados como lateríticos oferecem interesse especial de classificação no Brasil, por serem oriundos da evolução de solos em climas quentes e que apresentem chuvas intensas ou moderadas. Conforme é possível visualizar no mapa da Figura 04, os solos lateríticos cobrem a maioria do território brasileiro, comprovando a importância do estudo deste solo.
Figura 4:Ocorrência de solos lateríticos no Brasil
______________________________________________________________________________ Segundo Pinto (2016), os solos lateríticos apresentam coloração avermelhada peculiar, devido a sua fração argila ser composta predominantemente por minerais cauliníticos, apresentando elevada concentração de ferro e alumínio na forma de óxidos e hidróxidos. Em discordância com solos de regiões de clima temperado, os solos residuais tropicais lateríticos experimentam um intemperismo muito acentuado que faz com que apresentem características díspares em relação ao material de origem (FOOKES, 1997).
Os solos lateríticos normalmente se encontram na natureza em situação não saturada e com índice elevado de vazios, o que resulta em sua baixa capacidade de carga (PINTO, 2016). Contudo, Nogami e Villibor (1995) afirmam que estes solos ao serem compactados podem ter sua capacidade de suporte elevada, apresentando contração se o teor de água diminuir e não apresentando expansão na presença de água, o que os torna aplicáveis em obras de pavimentação.
Quanto ao comportamento mecânico de solos lateríticos e não lateríticos, Dias (2007) constatou através de ensaios triaxiais convencionais que os solos lateríticos apresentam menor deformabilidade na ruptura e maior resistência que solos não lateríticos. Em complemento, o autor também percebeu que o solo laterítico ao ser compactado apresenta maior massa específica e maior umidade ótima que solos não lateríticos, o que confirma a aplicabilidade e importância de tais solos. A melhoria dos solos lateríticos tropicais em relação aos solos de clima temperado, deve-se especialmente à evolução da matéria orgânica durante o intemperismo. Essa transformação ocorre de maneira lenta em climas temperados, enquanto que em climas tropicais acontece de forma rápida, resultado em compostos que aumentam a estabilidade e rigidez do solo (MELFI, 1994).
2.2.2 Saprolíticos
O termo sapro significa podre em grego. De acordo com Villibor et al. (2009) solos saprolíticos são aqueles que resultam da decomposição da rocha-mãe pela ação de intempéries, no entanto, estes conservam a estrutura da rocha que lhes deu origem de maneira nítida. Esse tipo de solo se localiza na parte subjacente à camada de solo laterítico, podendo vir à superfície devido à erosão ou execução de obras de escavação.
A NBR 6502 (ABNT, 1995) define que o solo saprolítico apresenta estrutura original da rocha, assemelhando-se visualmente a ela, exceto no que diz respeito à coloração. Ainda, afirma que a constituição é variável apresentando anisotropia ou heterogeneidade acentuada em decorrência da mistura de materiais consistentes com massa de solo.
Tais solos são de origem somente residual, por permanecerem próximos ao material pétreo original. Segundo Villibor et al. (2009) as principais diferenças entre solos lateríticos e saprolíticos são devidas ao processo de laterização que proporciona propriedades cimentantes aos solos lateríticos devido à presença de óxidos hidratados de ferro ou alumínio e minerais cauliníticos, além de influenciarem na coloração (vermelho, amarelo, marrom e alaranjado).
2.3 Sistemas de classificação dos solos
De acordo com Pinto (2016) há uma enorme variedade de solos disponíveis na natureza, os quais apresentam comportamentos distintos ao receberem solicitações da engenharia, o que exige que estes sejam agrupados de acordo com suas propriedades em comum. O mesmo autor afirma que o objetivo da classificação dos solos é a possibilidade de estimar como o solo irá se comportar em campo ou definir qual o melhor método de investigação de subsolo para a análise correta do problema.
Os três sistemas de classificação amplamente utilizados para separar e organizar os solos existentes e facilitar seu reconhecimento conforme apresentados em DNIT (2006) são: Sistema Unificado de Classificação de Solos (SUCS) e classificação rodoviária, ambas de abrangência internacional, e a classificação MCT (Miniatura Compactada Tropical) desenvolvida para solos tropicais, predominantes no Brasil.
2.3.1 Sistema Unificado de Classificação de Solos – SUCS
De acordo com o DNIT (2006) o SUCS foi publicado no ano de 1953 pelo Waterways Experiment Station, como resultado do trabalho do Bureau of Reclamation e do Corps of Engineers, sendo assistido pelo professor Arthur Casagrande da Universidade de Harvard. Esse sistema foi um melhoramento do trabalho elaborado pelo pesquisador em 1943, que visava apenas obras de aeroportos. O método visa identificar os solos de acordo com sua textura e plasticidade, possibilitando agrupá-los a partir de seu comportamento ao serem utilizados em aeroportos,
______________________________________________________________________________ estradas, fundações e também aterros (DNIT, 2006). Caracteriza-se por denominar o solo a partir de duas letras, cujo significado indica-se na Tabela 01.
Tabela 1: Terminologia do SUCS
Símbolo Significado G Cascalho (pedregulho) S Areia C Argila W Bem graduado P Mal graduado
F Finos (passando na peneira nº 200) M Mó ou limo (areia fina)
O Matéria orgânica
L LL baixo
H LL alto
Pt Turfa
Fonte: Adaptado de DNIT (2006, p. 62)
Pinto (2016) afirma que primeiramente considera-se o material passante na peneira nº 200, sendo que se a porcentagem for menor que 50% o solo é considerado granular e se for maior que 50% é tido como solo fino. Os solos granulares são classificados em pedregulhos (50% ou mais retido na peneira nº 4) ou areias (50% ou mais passante na peneira nº 4), sendo necessário calcular os coeficientes de não uniformidade (CNU) e de curvatura (CC) a fim de identificar se é um solo bem graduado ou mal graduado. Caso os solos grossos apresentem porcentagem de finos maior que 5% torna-se necessária a definição em relação à carta de plasticidade (PINTO, 2016).
Os solos previamente definidos como finos são classificados conforme o índice de plasticidade (IP) e limite de plasticidade (LP) através da utilização de um diagrama cartesiano denominado Gráfico de Plasticidade, onde são traçadas duas linhas, uma inclinada e a outra na vertical que separam as diferentes classificações possíveis (DNIT, 2006).
A Figura 05 contém o Gráfico de Plasticidade utilizado para caracterizar os solos finos e também solos grossos com mais de 5% de finos em sua constituição. A Figura 06 apresenta um resumo esquemático de como devem ser classificados os diferentes solos através do sistema SUCS.
Figura 5: Gráfico de Plasticidade
Fonte: DNIT (2006, p. 60)
Figura 6: Sistema Unificado de Classificação de Solos
Fonte: DNIT (2006, p. 59)
2.3.2 Sistema Rodoviário de Classificação de Solos – HRB/AASHTO
O Sistema Rodoviário de Classificação de Solos é um sistema amplamente utilizado em obras de pavimentação, que utiliza a granulometria do solo, o índice de liquidez, o limite de liquidez e o índice de grupo para agrupar os solos em diferentes categorias (DNIT, 2006). Esse método foi desenvolvido pelo Highway Research Board (HRB) em conjunto com a American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO).
______________________________________________________________________________ Conforme Pinto (2016) o sistema rodoviário separa os solos em dois grandes grupos a partir da porcentagem passante na peneira nº 200, considerando o limite separador como 35% (em que menos de 35% passante é considerado solo granular e mais de 35% passante é considerado solo fino). Além da granulometria e limites de consistência, esse método exige a identificação do índice de grupo (IG), calculado pela Equação 1 (VARGAS, 1977):
𝐼𝐺 = 0,2 ∗ 𝑎 + 0,005 ∗ 𝑎 ∗ 𝑐 + 0,01 ∗ 𝑏 ∗ 𝑑 (1)
Onde:
IG válido entre 0 e 20;
a = porcentagem passante na peneira nº 200 menos 35% (válido entre 0 e 40) b = porcentagem passante na peneira nº 200 menos 15% (válido entre 0 e 40) c = LL menos 40% (válido entre 0 e 20)
d = IP menos 10% (válido entre 0 e 20)
Com todas as informações necessárias, pode-se determinar o grupo a que pertence o solo a partir do quadro disponível na Figura 07, em que a análise deve ser feita da esquerda para a direita através de eliminação, sendo que o primeiro grupo em que todos os valores estiverem nas faixas permitidas representará a correta classificação do solo (DNIT, 2006).
Figura 7: Classificação HRB/AASHTO
2.3.3 Metodologia MCT
Conforme Martínez (2003) os solos residuais possuem propriedades específicas e características diferentes em relação aos solos sedimentares e transportados devido à intensa ação do intemperismo na formação desses solos. Assim, algumas vezes os princípios tradicionais de Mecânica dos Solos não se aplicam corretamente aos solos residuais, oferecendo parâmetros inadequados. Nogami e Villibor (1995) afirmam que a estrutura das argilas lateríticas depende da aderência dos grãos, a qual sofre alterações conforme a destruição ou conservação da argila, o que faz com que parâmetros como granulometria e Limites de Atterberg variem de acordo com a estrutura do solo.
Os sistemas de classificações usuais como AASHTO/HRB e SUCS foram desenvolvidos em regiões não tropicais e utilizam os parâmetros clássicos para caracterização do solo, fato este que instigou a criação de um novo método para prever o comportamento dos solos tropicais existentes no Brasil, já que estes apresentam um comportamento singular na prática (FREITAS, 2016). Esse sistema de classificação ainda não é reconhecido internacionalmente como os demais métodos, porém apresenta-se eficiente, podendo ser empregado de maneira eficaz no estudo de solos de comportamento laterítico e não laterítico oriundos de países de clima tropical úmido como o Brasil (BALBO, 2007).
A partir disso, Nogami e Villibor (1981) desenvolveram o método denominado MCT (Miniatura Compactada Tropical), baseado no comportamento hidráulico e mecânico do solo, utilizando parâmetros adequados aos solos tropicais. Segundo o DNIT (2006), essa técnica possibilita a avaliação de propriedades importantes dos solos relacionadas à contração, expansão, permeabilidade, coeficiente de penetração d’água, coesão, capacidade de suporte e a partir de famílias de curvas de compactação. De maneira geral, a classificação MCT proporciona a separação dos solos em dois grandes grupos: os que apresentam comportamento laterítico (L) e os de comportamento não laterítico (N) (VILLIBOR; NOGAMI, 2009).
Segundo Villibor e Nogami (2009), a classificação MCT é realizada pelos ensaios M5- compactação mini-MCV (Moisture Condition Value), orientado pela DNER-ME 258/94, M8-perda de massa por imersão, orientado pela DNER-ME 256/94, e M9-classificação geotécnica MCT, que consiste na inserção dos resultados obtidos no gráfico de classificação apresentado na Figura 08.
______________________________________________________________________________ Figura 8: Gráfico para classificação MCT
Fonte: Villibor e Nogami (2009, p. 54)
2.4 Fundações
A fundação pode ser definida como um elemento de engenharia que tem a função de transmitir o seu peso próprio e os carregamentos provenientes da superestrutura para as camadas de solo ou rocha em que se apoia (BOWLES, 1996). De acordo com Velloso e Lopes (2010) as fundações são usualmente divididas em dois grandes grupos: fundações superficiais (diretas ou rasas) e fundações profundas, sendo que para uma fundação ser considerada profunda o mecanismo de ruptura da base não deve atingir a superfície do terreno. A partir de tal definição, a NBR 6122 (ABNT, 2010) determina que fundações profundas apresentam suas bases implantadas a uma profundidade superior a duas vezes sua menor dimensão em planta, considerando uma profundidade mínima de 3 metros, conforme indica a Figura 09.
Figura 9: Fundação superficial e profunda
As condições das camadas do solo irão definir o melhor tipo de fundação a ser utilizado. Quando as camadas superficiais apresentarem resistências adequadas para suportar determinada estrutura, recomenda-se o uso de fundações superficiais. Porém, quando as camadas superficiais não demonstrarem capacidade de carga necessária ao suporte da estrutura, é necessário o uso de fundações profundas, para que as cargas sejam descarregadas nas camadas mais profundas do solo que apresentem comportamento satisfatório (TERZAGHI; PECK, 1962).
Ao selecionar o tipo de fundação para determinada obra, além da capacidade de carga do solo é necessário atentar para outros fatores, que segundo Caputo (2015) seriam: deformações aceitáveis nas diferentes camadas do solo, inexistência de danos às estruturas vizinhas devido a execução das fundações e viabilidade técnica e econômica. Os dois tipos de fundações disponíveis estão detalhados nos subitens a seguir.
2.4.1 Fundações Superficiais
Conforme a NBR 6122 (ABNT, 2010) a fundação superficial é definida como um elemento estrutural que transmite os carregamentos ao terreno por meio da distribuição das tensões sob a base da fundação. Teixeira e Godoy (2016) salientam que as fundações rasas são aquelas que se apoiam sobre o solo à uma pequena profundidade em relação ao solo em seus arredores, porém, não devem ser analisadas somente quanto à profundidade de assentamento, visto que em um prédio com dois subsolos a fundação será considerada rasa mesmo que esteja assentada à 7 metros de profundidade considerando o nível da rua. Diferentes tipos de fundações superficiais são definidos por Velloso e Lopes (2010):
a) bloco: elemento de fundação constituído de concreto simples em que as tensões são resistidas apenas pelo concreto, sem armadura;
b) sapata: elemento de fundação constituído de concreto armado em que as tensões de tração são resistidas por uma armadura, possuindo menor altura que o bloco;
c) sapata corrida: recebe a carga distribuída linearmente ou de pilares alinhados; d) sapata associada: recebe a carga de mais de um pilar;
e) radier: elemento de fundação que recebe o carregamento de alguns ou todos os pilares de uma estrutura;
______________________________________________________________________________ 2.4.2 Fundações Profundas
A NBR 6122 (ABNT, 2010) caracteriza fundação profunda como elemento estrutural que realiza a transferência dos carregamentos provenientes da estrutura ao terreno através de duas maneiras: pela base (denominada resistência de ponta) ou pela superfície lateral (denominada resistência de fuste), havendo a possibilidade da combinação das duas. Em adição, Bowles (1996) comenta que as fundações profundas realizam a distribuição das forças através da superfície lateral (transmissão vertical) e também difundem uma parte horizontalmente através da resistência da ponta. Segundo Velloso e Lopes (2010) as fundações profundas são divididas em:
a) estaca: elemento de fundação executado por cravação, escavação ou mista;
b) tubulão: elemento cilíndrico que requer a descida de um operário durante sua execução;
c) caixão: elemento de forma prismática, concretado na superfície e instalado por escavação interna.
2.5 Técnicas de melhoramento de solos
Conforme Vertematti (2015) o trabalho com os solos envolve a análise de características como descontinuidades, variações de granulometria, baixa resistência à tração/cisalhamento, permeabilidade variável, deformabilidade alta, além da sua erodibilidade. Tais parâmetros fizeram com que as obras fossem executadas nos melhores terrenos disponíveis, mesmo apresentando maior custo, pois buscava-se solos resistentes, sem a presença de água, pouco erodíveis e pouco deformáveis a fim de garantir maior facilidade e segurança ao processo construtivo.
Tal situação gerou uma redução na disponibilidade de solos com características adequadas, o que incentivou a criação de métodos alternativos com o objetivo melhorar os terrenos disponíveis, garantindo o suporte às obras de construção civil. De acordo com Casagrande (2001) os processos de melhoria e reforço de solos baseiam-se na utilização de procedimentos químicos e/ou físicos com o objetivo de melhorar as propriedades mecânicas desse material através do aumento da resistência do solo e atenuação da sua compressibilidade e permeabilidade.
Segundo Mitchell (1970) independentemente da técnica aplicada, o principal objetivo do tratamento é a eliminação da possibilidade de ocorrência de recalques excessivos no solo que
prejudiquem a estrutura. Além disso, há uma diferença básica entre dois termos amplamente utilizados: reforço e melhoria; em que melhoria de solos está relacionada ao seu tratamento a partir de procedimentos químicos enquanto o termo reforço trata de métodos que utilizam a inclusão de materiais em aterros ou taludes (CASAGRANDE, 2001).
Arévalos Burró (2015) separa as técnicas de melhoramento em três grupos:
Ground improvement: método usado para melhorar as características e propriedades intrínsecas do solo. Exemplos: compactação dinâmica, vibrocompactação, compactação por injeção de graute, etc.
Ground reinforcement: este método consiste na incorporação de elementos estruturais no solo a fim de suportar cargas que antes não suportaria. Exemplos: terra armada, solo grampeado, reforço com colunas, geotêxteis, solo reforçado com fibras, injeção de grauting, vibro-substituição, etc.
Ground treatment: o tratamento dos solos baseia-se em adicionar materiais no solo ou submetê-lo a processos físicos para melhorar suas características. Exemplos: solo tratado com cimento, tratamento térmico, congelamento, etc.
Mitchell (1968 apud FREITAS, 2016) sistematizou técnicas de melhoramento conforme sua aplicação para solos de diferentes granulometrias. Ou seja, definiu quais as técnicas seriam mais adequadas conforme o solo existente, o que pode ser analisado na Figura 10.
Figura 10: Técnicas de melhoramento ideais para cada granulometria
______________________________________________________________________________ Segundo Alves (2015) as técnicas de melhoramento são aplicadas a fim de se obter um solo que seja capaz de servir como suporte à diferentes edificações. Ainda, Mitchell (1970) afirma que as técnicas podem ser utilizadas tanto em solos coesivos como em não-coesivos, sendo que para os primeiros são indicadas vibroflotação, eletroosmose, tratamento termal, aditivos e injeção de compactação; já para os segundos são indicados vibroflotação, estacas de compactação, explosivos e injeção de cimento. Tais técnicas são brevemente apresentadas nos próximos subitens.
2.5.1 Solos não-coesivos
Vargas (1977) disserta que a coesão é definida como a resistência que a fração argilosa fornece ao solo, tornando-o capaz de manter-se coeso no formato de bloco e possibilitando seu corte em diversas formas. Os solos que possuem tal propriedade chamam-se coesivos, enquanto solos denominados de não-coesivos desmancham-se com facilidade ao serem cortados ou escavados, tais como areias puras e pedregulhos.
2.5.1.1 Vibroflotação
Conforme Resende (2012) o método de vibroflotação (também chamado de vibrocompactação) é uma técnica utilizada para densificar camadas espessas de solos granulares fofos in situ a partir de um equipamento composto por um vibrador de profundidade que penetra no solo com auxílio da aplicação de água, compactando o solo circundante a partir de vibração horizontal. De acordo com Mitchell (1981) é uma técnica de compactação que tem por objetivo a inserção de estacas granulares no terreno através de processo de vibração, utilizando um equipamento com um vibrador de diâmetro entre 35 e 45 cm e cerca de 5 m de comprimento. 2.5.1.2 Estacas de compactação
Bell (1993) afirma que o solo pode ser compactado a partir da introdução de colunas no seu interior, em que a compactação é obtida simplesmente pelo deslocamento do solo. Entretanto, ao ser empregada em solos granulares a compactação é obtida não só pelo deslocamento, mas também pelo efeito vibratório das estacas de acionamento, o que faz com que a eficiência da compactação dependa também da energia de vibração e não só do espaçamento e tamanho das estacas.
