Características de Deformabilidade dos Solos Saprolíticos da
Baixada Cuiabana Através de Ensaios de Campo e Laboratório
Wilson Conciani
Centro Federal de Educação Tecnológica de Mato Grosso – Cuiabá –MT - Brasil Wilson P. da Silva e Izabel Cristina de O. Campos
Centro Federal de Educação Tecnológica de Mato Grosso – Cuiabá -MT - Brasil
RESUMO: Este artigo visa apresentar as características de deformabilidade dos solos da Baixada Cuiabana. Os solos da Baixada Cuiabana pertencem ao Grupo Cuiabá, constituídos por materiais inconsolidados oriundos principalmente do intemperismo de meta-arenitos e filitos sericíticos. Estes solos são jovens e apresentam as estruturas reliquiares da rocha. Até o presente, pouco se sabe sobre eles. Alguns artigos publicados trazem resultados de ensaios de laboratório e de observações de campo. Foram escolhidos dois locais para fazer provas de carga em placa, ensaios edométricos e cisalhamento. Estes locais representam as duas principais ocorrências de solos e ficam nas partes da cidade de Cuiabá onde, atualmente, se desenvolve a maioria das obras. Desta forma, avalia-se a compressibilidade deste solo por estes ensaios buscando uma compreensão do que se poderia esperar de comportamento quando solicitado por fundações. Os resultados demonstram que se trata de um solo pouco compressível, com trechos pseudo-elásticos que se estendem até valores de tensão média da ordem de 500 kPa. As tensões de pré-adensamento dependem do estado de umidade do solo, podendo variar de 25 a 200 kPa nas umidades de campo.
PALAVRAS-CHAVE: Ensaios; Ensaios de Campo; Ensaios de Laboratório; Deformabilidade; Solo Saprolítico.
1 INTRODUÇÃO
Na concepção do projeto de fundação de uma obra, nem sempre o engenheiro dispõe de dados suficientes para entender o verdadeiro comportamento do solo para o qual está sendo dimensionada a fundação. Isto leva o profissional a utilizar coeficientes de segurança não adequados para uma determinada região, onerando o custo da obra
No estado do Mato Grosso, bem como no restante do país, o ensaio mais utilizado para caracterização do perfil de um solo com o objetivo de dimensionamento de fundações é o SPT. Raramente são utilizados outros ensaios de campo e de laboratório. Mesmo sabendo que os SPTs executados em todo o mundo apresentam diferentes eficiências (Décourt, 1994), estes ensaios continuam sendo usados como única fonte de informação para dimensionamento de fundações. Procurou-se neste trabalho mostrar a importância da
utilização de outros ensaios, tanto de campo como de laboratório, além do SPT, para melhor caracterização do solo.
Para a execução desta pesquisa, foram executados duas provas de carga em placa, ensaios de caracterização, cisalhamento direto e edométricos. Foram também utilizados dados obtidos de ensaios de SPT feitos na região.
2 ENSAIOS REALIZADOS
2.1 Prova de Carga Em Placa 2.1.1 Descrição da Região
As provas de carga foram realizadas na cidade de Cuiabá, MT. A geologia da cidade está no Domínio Tectônico Interno do Cinturão de Dobramentos Paraguai. Esta unidade é caracterizada como um expressivo conjunto metassedimentar. Este conjunto é constituído
por metarenitos, metargilitos, metadiamictitos, metarcósios, filitos sericíticos, filitos carbonosos, além de formações ferríferas, calcários e margas.
A primeira prova de carga foi realizada no campo experimental do Centro Federal de Educação Tecnológica de Mato Grosso, no Bairro Bela Vista. Neste local foram realizadas sondagens do tipo SPT que apontaram os resultados para um solo silte argiloso, com impenetrável a 1,0 m. Este solo é um saprolito de filito.
A segunda prova de carga foi realizada no Bairro Duque de Caxias. No terreno foram realizadas sondagens do tipo SPT. Do ponto de vista de classificação do solo as sondagens indicam que existe uma alternância de solo areno-siltoso e silto-arenoso. Embora esta classificação indique que as duas frações sejam predominantes, em alguns casos aparece a fração argila como componente secundário. É provável que a identificação da argila tenha se dado em função da elevada plasticidade do material. Contudo, a variação entre estas classes predominantes de solo pode indicar que o terreno sofre uma estratificação cruzada. Isto é, existem pacotes de solo de origem diferente ou com graus de intemperismo diferenciado. O impenetrável variou entre 2 e 7 m.
2.1.2 Materiais
A prova de carga nº 01 foi realizada sobre placa metálica com diâmetro de 0,40m. Esta placa é rígida e assegura a distribuição uniforme dos recalques da placa. A placa foi assente sobre o solo regularizado com uma camada de areia lavada com espessura média de 3 mm. A cava foi executada com o mesmo diâmetro da placa e na profundidade de 0,25 m.
A prova de carga nº 02 foi realizada sobre uma placa de lado 0,6 m com 25 mm de espessura. A escolha da placa foi devida à elevada capacidade de carga indicada na campanha de sondagem. Esta placa tem dimensões suficientes para não influenciar a extrapolação dos resultados. Ainda assim, a placa é pequena o bastante para aplicar no terreno as tensões previstas no projeto. Esta dimensão está acima do mínimo para não romper o terreno por punção (Vargas, 1977). O
solo foi escavado de forma que fosse possível a sua identificação. A profundidade testada está a 1,4 m da superfície do terreno aplainado. A cava de ensaio teve a mesma dimensão da placa. Desta forma, fica assegurado o total embutimento da condição de ensaio.
Nas duas provas de carga os recalques da placa foram medidos com 04 deflectômetros com curso de 50 mm e resolução de 0,01mm. Estes deflectômetros foram instalados em 4 hastes colocadas nos vértices da placa. As hastes são rígidas e imóveis para assegurar confiabilidade das leituras de recalque. Os deflectômetros foram fixos por bases magnéticas e apoiaram suas extremidades em vigas de madeira (6 x 16 cm). As vigas de referência para os deflectômetros foram fixas ao solo na posição transversal à viga de carregamento para não sofrerem influência dos tirantes.
As cargas foram aplicadas por um macaco hidráulico de capacidade de 1100 kN (aproximadamente 100 t). A reação do macaco para a prova de carga 01 foi contra um dos eixos de um caminhão de 240 kN (24 t). Para a prova de carga nº 02, foi utilizada como reação uma viga metálica tipo duplo I com altura de 30 cm. A viga foi fixada ao solo por dois tirantes construídos especialmente para este fim. O vão entre os dois tirantes é de 5,56 m.
O controle das cargas para os dois ensaios foi realizado com uma célula de carga elétrica, base de strain-gages, ponte completa, marca Kyowa, capacidade 500 kN. A resolução desta célula é de 0,1 kN. A unidade de leitura da célula de carga é digital, da marca Kyowa, com 3,5 dígitos.
2.1.3 Procedimentos
A prova de carga foi realizada de acordo com a NBR 6489/84. O monitoramento dos recalques em cada estágio foi realizado em intervalos de tempo segundo uma progressão geométrica de razão 2. O primeiro termo é 2 (2 min). O início de um novo estágio de carga foi feito após a estabilização dos recalques do estágio em curso. Outro critério para mudança de estágio de carga foi o do tempo. Neste caso, cada estágio não estabilizado foi mantido por 12 h. O último estágio de carga foi mantido por 24 h.
2.2 Ensaios Edométricos
Os ensaios edométricos foram realizados com amostras indeformadas retiradas do mesmo local e na mesma profundidade onde foram executadas as provas de carga .
O ensaio 01 foi realizado com amostra na umidade de campo. Para o ensaio 02 a amostra foi inundada.
Foram aplicadas tensões de 25 a 1600 kPa. Os procedimentos de aplicação de carga foram executados segundo a NBR 12007.
2.3 Ensaios de Cisalhamento Direto
Foram preparadas 03 amostras para o ensaio de cisalhamento direto. Os ensaios foram executados com o solo natural, no modo rápido com aplicação do carregamento vertical para adensamento, durante 24 horas, nas seguintes tensões: 88,21; 178,42 e 352,84 kPa..
3 RESULTADOS
3.1 Prova de Carga
A prova de carga nº 01 foi levada até o estágio de 100 kN e descarregada devido ao término do curso do macaco. Em seguida foi recarregada chegando ao estágio de 120 kN onde apresentou problemas com a reação, sendo assim, interrompida.
A prova de carga nº 02 foi interrompida com a carga de 400 kN (tensão média 1100 kPa). A interrupção da prova de carga se deu por esperar uma carga de ruptura da ordem de 1 MPa. Esta carga foi prevista com base nos valores de NSPT. A carga de reação foi então prevista para esta tensão. Os tirantes de reação romperam com a carga de 400 kN impedindo o prosseguimento da prova de carga. A Figura 01 mostra as curvas tensão versus recalque das provas de carga realizadas.
0 200 400 600 800 1000 1200 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Recalque em (mm)
Tensão média (kPa)
prova de carga 02 prova de carga 01
Figura 01 - Curva tensão x recalque das provas de cargas 01 e 02
Dos resultados destas provas de carga pode-se inferir os parâmetros de projeto que podem ser observados na Tabela 01: módulo de reação do solo, módulo de elasticidade e tensão admissível. A carga de ruptura poderia ser obtida por extrapolação da curva carga recalque. Contudo, a curva ainda não foi bem definida, por estar nos estágios iniciais, o que não permite um bom ajuste (Viana & Cintra, 2000). Estes parâmetros foram definidos para a tensão vertical média de 1035 kPa para a prova de carga 01 e 1000 kPa para a prova de carga 02. Estes valores foram considerados como sendo as tensões admissíveis uma vez que para estas tensões os recalques das placas são da ordem de 9,03 e 8,97 mm respectivamente. A NBR 6489/84 diz que a ruptura convencional é para o recalque de 25 mm. Portanto, estas provas de carga poderiam continuar até que os valores de recalque atingissem o nível proposto pela norma.
Tabela 1: Características mecânicas do solo estimadas da prova de carga. Parâmetro Prova de carga 01 Prova de carga 02 Recalque prova de carga (mm) 9,03 8,97 Coef. poisson 0,5 0,5 T. adm. (kPa) 1035 1000 Mód. Rea.ção do solo KPa/mm 114,62 111,11 Método para estimativa do módulo de def.. Butter-field &Banerj ee Teoria Elast Butter -field &Baner jee Teoria Elast Índice de forma 5 0,79 7 0,99 Mód. Def. (MPa) 21,59 27,16 28,57 49,5
O módulo de deformação foi estimado com base na teoria da elasticidade, considerando a placa rígida, na condição embutida, apoiada sobre meio infinito, com espessura infinita. As formulações aplicadas foram a de Butterfield & Banerjee (1971) e a da teoria da elasticidade Velloso & Lopes (1996). O valor do coeficiente de Poisson foi estimado em 0,5, considerando o solo pouco compressível e não saturado. Os índices de forma utilizados estão indicados no Quadro 1.
Para efeito de comparação utilizou-se a proposta de Décourt (1992), onde o módulo de deformação (E), é estimado em E=3*NSPT. o valor de (E) nas duas provas de carga foi estimado em 90MPa, utilizando NSPT de 30. O valor do NSPT foi obtido de uma sondagem realizada à 1 m do local e na mesma cota do ensaio. Com este valor de (E) estima-se um recalque de 2,73 mm para a prova de carga 01 e 4,95mm para a prova de carga 02. Estes valores são menores que os valores determinados nas provas de carga.
O módulo de deformação (E) determinado na prova carga 01, foi de 24% menor que o estimado pelo método empírico SPT e o recalque 30% maior. Para a prova de carga 02, o valor de (E) da placa foi 32 % menor que aquele estimado com base no SPT e o recalque foi 55,12% maior.
A NBR 6122 aceita a utilização de fórmulas empíricas para a determinação da capacidade de carga. Segundo Teixeira & Godoy (1998), é prática corrente o uso da expressão σa = N/50 (MPa) para estimativa de tensão admissível baseado no ensaio SPT . Baseado neste método, determinou-se a tensão admissível do ensaio, para o NSPT = 20. Este valor foi adotado por que o autor limita a validade da equação. O valor de NSPT medido no local é 31. O valor de tensão admissível obtido é 400 kPa, como a norma NBR 6122 recomenda. Com este valor de tensão admissível a capacidade de carga do solo estaria sendo subestimada.
No momento do início da prova de carga 02 a umidade do solo era de 8,0 %. Ao final do ensaio a umidade do solo sob a placa era de 13,6 %. Este fato indica que há uma migração de água do solo para as superfícies livres. Aqui, a superfície livre foi caracterizada pela cava onde o ensaio foi realizado. A perda de água
por evaporação é menor que a capacidade de reter água do solo.
A variação do teor de umidade do solo sabidamente introduz alterações na sua rigidez. Conciani & Futai (1998) mostram que no caso de solos colapsíveis ou expansivos deve-se empregar provas de carga com medida de sucção. Esta medida possibilita o uso de modelos de controle de variação da rigidez. Segundo Lew & Soares (1998) o solo de Cuiabá apresenta potencial de expansão até a profundidade de 4 m. Entretanto, as tensões de expansão deste solo são da ordem de 25 – 30 kPa. As tensões médias da prova de carga estão bastante acima deste valor. Outro indicativo de que o solo tem comportamento plástico predominante está no valor do recalque residual da prova de carga. Após o total descarregamento da placa o solo manteve um recalque de aproximadamente 6 mm, para a prova de carga 02. Este fato é significativo para a adoção de modelos de dimensionamento de fundações.
3.2 Ensaios Edométricos
A Figura 02 apresenta os resultados dos ensaios edométricos. Nesta figura são mostradas as curvas de índices de vazios normalizados em relação ao índice de vazios inicial de cada amostra (ei/eo) e a tensão correspondente. A figura compara os resultados dos ensaios de compressão na umidade de campo e inundada.
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1 10 100 1000 10000 Tensão Indíce de Vazios e i /eo
ensaio inundado ensaio natural
Figura 02 –Curva de compressão edométrica dos solos no local da prova de carga 2.
Com os resultados dos ensaios de compressão edométrica com solo da prova de carga 02,
obtiveram-se os parâmetros relacionados na Tabela 02.
Tabela 2: Características mecânicas do solo determinadas a partir do ensaio edométrico.
parâmetros Adensamento natural Adensamento inundado Recalque (mm) 22,84 45,45 M. edom. (Mpa) 19,70 9,9 Def.Vol .∆ε(%) 5,0 10,2 T. pré-aden (KPa) 200 25
Empregou-se o valor do módulo edométrico para estimar o recalque para o nível de tensões de 1000kPa. O valor encontrado foi de 45,3mm para a compressão na umidade natural (de campo).
Para a prova de carga o recalque estimado foi de 8,97 mm. Os valores encontrados diferem em 250 %. Tipicamente os recalques previstos com valores de módulo edométrico são da ordem do dobro daqueles previstos pelo módulo obtido em ensaios de compressão triaxial.
O módulo edométrico foi de 19,7 Mpa e para o ensaio de placa foi 28,57 Mpa (método Butterfield e Banerjee, 1971).
3.3 Ensaios de Cisalhamento Direto
A Figura 03 apresenta o gráfico, tensão versus deslocamento referente às 03 amostras ensaiadas. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 2 4 6 8 Deslocamento horizontal (mm)
Tensão cisalhante (KPa)
88,21 KPa 176,42 KPa 352,84 KPa
Figura 03 - Tensão cisalhante versus deslocamento . A Figura 04 apresenta a envoltória de resistência dos ensaios executados. Desta forma, obtem-se os parâmetros φ= 36,5 graus e coesão 104 kPa. Estes valores serão utilizados para determinação da capacidade de carga da fundação.
Figura 04 – Envoltória de resistência do solo
Paiva & Conciani (2005) estimaram a tensão admissível dessa fundação em 3,51 MPa com os dados do ensaio de cisalhamento (equação de Terzaghi e Peck, 1948) e 1,1 MPa com os dados da prova de carga. Usando a equação empírica com base no SPT, encontrou-se um valor de 400 kPa.
A tensão admissível determinada pelo método empírico é 40% daquela determinada pela prova de carga. A tensão admissível obtida pela placa foi comparada com o valor obtido de forma teórica pela equação de capacidade de carga de Terzaghi. Neste caso verifica-se que a previsão pelo método teórico é cerca de 219% maior.
4 CONCLUSÕES
Com a realização das provas de carga, pode-se concluir que o solo responde às solicitações de modo melhor do que foi previsto pela sondagem tipo SPT. Igualmente, as previsões de recalques, realizadas com base nos ensaios edométricos, são muito conservadoras. O recalque determinado pelo método edométrico ficou 5 vezes maior que o recalque medido pela prova de carga.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a colaboração da NACON ENGENHARIA, pelo apoio técnico e
y = 0,7405x + 103,91 R2= 0,8771 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 100 200 300 400
Tensão normal (kPa)
ao Programa HABITARE pelo suporte financeiro.
REFERÊNCIAS
Brasil. NBR 6489/1984 – Prova de carga sobre terreno de fundação. Rio de Janeiro: ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORNAS TÉCNICAS.
Brasil. NBR 12007/1990 – Solo Ensaio de Adensamento Unidimensional Rio de Janeiro: ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORNAS TÉCNICAS.
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Lew B, Soares M. M. (1998). Um caso típico de trincas
em residência devido a solo expansivo. In: Congresso
Brasileiro De Mecânica Dos Solos E Engenharia Geotécnica, Brasília. Anais, p.228-234.
Conciani, W. & Futai, M. M. (1998). Plate Load Test
with suction measurements. In: International
Symposium on Problematic Soils is TOHOKU. JAPAN,
Décourt, L. (1994). Fundações e interação
solo-estrutura. X Congresso Brasileiro de Mecânica dos
solos e Engenharia de Fundações, ABMS, Pós-Congresso, p. 179-206.
Décourt, L. (1992). Fundações Rasas – Anais de Mesa -Redonda Solos na cidade de São Paulo, p 217-228. Paiva, M.R.L. & Conciani, W. (2005). Estudo de caso de
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Teixeira, A . H.; Godoy, N. S. (1998). Análise, Projeto e
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Terzaghi, K. e Peck, R.B. (1948). Soil mechanics in
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York, NY.
Vargas, M. (1977). Introdução á mecânica dos solos, MC GRAW HILL do Brasil-editora da Universidade de São Paulo, 5ª edição,.
Velloso,A.D. & Lopes,F.R. (1996). Fundações. Cálculo
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