PROVAS DE CARGA EM ESTACAS ESCAVADAS: DETERMINAÇÃO DA CARGA DE RUPTURA
Darlan Amorim Pereira (Mestre Eng. Civil, Universidade Federal do Paraná);
damorimpereira@gmail.com
Larissa de Brum Passini (Doutora, Eng. Civil, Pós-Doutoranda, Universidade Federal do Paraná)
Alessander C. Morales Kormann (Doutor, Eng. Civil, Professor, Universidade Federal do Paraná)
Carolina Londero (Mestre Eng. Civil, Universidade Federal do Paraná);
Resumo: A prova de carga estática consiste em uma importante ferramenta para se compreender o comportamento de uma estaca. O ensaio convencional, sem instrumentação em profundidade, fornece a curva carga-recalque no topo da estaca, necessitando de uma interpretação cuidadosa para a determinação de sua carga de ruptura. Diferentes métodos existem para essa determinação da ruptura, sendo o objetivo do presente artigo compilar alguns destes e apresentar os resultados da sua aplicação em três provas de carga à compressão estática, realizadas em duas estacas escavadas instrumentadas. As estacas em questão possuem 15,7 e 24,1 m de comprimento e 0,7 e 1,0 m de diâmetro, respectivamente, e estão instaladas em solo predominantemente arenoso. Os resultados, para cada estaca, mostraram grande variação na carga de ruptura obtida entre os diferentes métodos, sendo ao final estes resultados comparados com os valores de ruptura obtidos pela instrumentação.
Palavras-chave: Estacas, Provas de Carga Estática, Instrumentação, Carga de Ruptura, Métodos de Interpretação.
LOAD TESTS IN BORED PILES: DETERMINATION OF PILE CAPACITY
Abstract: The static load test is an important tool for understanding the behavior of a pile.
The conventional test without instrumentation in depth, provides the load-movement curve at the top of the pile, requiring a careful interpretation to determine its load capacity. There are different methods for this function, and the purpose of this article compile some of these and presents the results of its implementation three static load tests in compression, carried out in two instrumented bored piles. The piles have 15.7 and 24.1 m length, 0.7 and 1.0 m diameter, respectively, and they are located predominantly in sandy soil. The results showed that there is a great variation in pile capacity obtained between the methods, for the same pile, and they are also compared with the values obtained by the instrumentation.
Keywords: Piles, Static Load Tests, Instrumentation, Pile Capacity, Interpretation Methods.
1. INTRODUÇÃO
As provas de carga estáticas são realizadas com o intuito de verificar o comportamento previsto da fundação em projeto (capacidade de carga e recalque) e podem ser utilizadas para definir a carga admissível, quando não se consegue uma previsão confiável do comportamento da fundação (Velloso e Lopes, 2010). O ensaio convencional, sem instrumentação em profundidade, fornece como resultado um conjunto de pontos, referentes à carga e ao recalque obtidos no topo da estaca, os quais precisam ser interpretados para obtenção da carga de ruptura, salvo casos onde ocorre ruptura nítida, caracterizada pela verticalização da curva carga-recalque, com deslocamento contínuo sem acréscimo de carga. A ruptura nítida é de difícil ocorrência, pois, na maioria dos casos, necessita de grandes deslocamentos para ser obtida. Segundo Fellenius (1999, 2001), este tipo de ruptura é apenas um conceito, e dentre os três componentes que comandam o comportamento carga x recalque da estaca: (i) atrito lateral solo-fuste, (ii) compressão elástica da estaca e (iii) resistência de ponta, somente o atrito lateral apresenta uma “ruptura nítida”. As demais parcelas resistentes não o apresentam mesmo para grandes deslocamentos, exceto no caso onde se atinge a carga de ruptura do material que compõe a estaca.
Dentre as vantagens da instrumentação ao longo do fuste da estaca, pode-se citar a possibilidade de realizar a medição das cargas e/ou das deformações atuantes em diferentes profundidades, para além das medições de carga e deslocamentos no topo obtidas no ensaio convencional. Isso permite obter a distribuição da carga de topo ao longo do fuste e a separação das parcelas resistentes de atrito lateral e ponta, assim como visualizar o desenvolvimento das parcelas resistentes em função do deslocamento da estaca, o que proporciona a identificação da carga de ruptura.
A prova de carga estática é dividida em três grandes categorias, segundo Velloso e
Lopes (2010): (i) Carga controlada, com aplicação lenta ou rápida da carga;(ii) Deformação
controlada; e (iii) Método do equilíbrio. A categoria (i) Carga controlada lenta, consiste na
aplicação de carga constante até a estabilização dos recalques. Os incrementos de carga
são sucessivos e iguais. Ainda conforme Velloso e Lopes (2010), esse é o ensaio que mais
se aproxima, para casos correntes, do carregamento real que a estaca sofrerá durante sua
vida útil, pois o carregamento se dará de maneira lenta, atingindo recalques maiores e
menores resistências. Todavia, a estabilização dos recalques torna o ensaio demorado e
caro. Já a aplicação rápida da carga é uma opção para minimizar o tempo da prova de
carga estática. Ela consiste em incrementos de carga com duração padronizada, sem a necessidade de aguardar a estabilização dos recalques. Fellenius (1980) aponta que o importante para o ensaio não é a duração dos estágios de carga, qualquer que seja ela, desde que os incrementos e suas durações sejam iguais. Por outro lado, devido à não estabilização dos recalques, a curva da prova de carga rápida apresenta recalques menores que o ensaio lento, para um mesmo incremento de carga. Em consequência, a capacidade de carga atingida no ensaio rápido é maior que a obtida no lento. Segundo Cintra et al.
(2013) essa diferença é de aproximadamente 10%, para ensaios com incrementos de carga com duração de 15 minutos.
Com relação a curva carga-recalque, esta pode apresentar varias configurações, das quais as duas comuns, conforme Alonso (2011) são: (i) o recalque incessante, quando há ruptura da fundação, e (ii) quando não há recalque incessante, não havendo definição clara da carga de ruptura e sendo necessário o uso de métodos de interpretação. Décourt (2006) afirma que a ruptura só é atingida de fato, na maioria dos casos, para o atrito lateral e que a ruptura nítida na ponta da estaca inexiste na prática da engenharia por exigir uma deformação infinita. Sendo somente possível se aproximar da ruptura nítida em dois casos:
(i) atrito lateral solo-estaca em todos os tipos de estaca; e (ii) ruptura de ponta em estacas de deslocamento (cravadas). No caso de estacas escavadas a ruptura somente será atingida para grandes deformações, da ordem de algumas vezes o diâmetro da estaca.
De acordo com o exposto, nota-se que não há um consenso sobre a definição da carga de ruptura em fundações em estacas, sendo necessário o uso de métodos para a determinação da carga de ruptura, através da interpretação da curva carga-recalque. Neste sentido, o presente artigo analisa três curvas carga-recalque, obtidas através de provas de carga estáticas de compressão axial, em duas estacas escavadas em solo predominantemente arenoso, com furação suportada com polímero estabilizante, instrumentadas em profundidade. São utilizados seis métodos diferentes de interpretação para definição da carga de ruptura, sendo realizada uma discussão dos resultados alcançados e dos diferentes fatores envolvidos na obtenção das respctivas cargas de ruptura.
2. MÉTODOS DE INTERPRETAÇÃO DA CURVA CARGA-RECALQUE
A interpretação pode ser feita por diferentes critérios, tais como: (i) critérios que
caracterizam a ruptura pelo encurtamento elástico da estaca acrescido a uma porcentagem
do seu diâmetro; (ii) critérios baseados numa equação matemática ajustada ao trecho que se dispõe da curva; e (iii) critérios baseados em uma mudança nítida no formato da curva carga-recalque. O presente artigo utiliza métodos de interpretação baseados nos três critérios descritos acima, sendo tais métodos selecionados com base em seu uso recorrente nas referências bibliográficas pesquisadas. São eles:
• Critério (i) - NBR 6122:2010.
• Critério (ii) - Vander der Veen (1953).
• Critério (iii) - Brinch-Hansen (1963).
Todas as equações e demais informações referentes a cada método foram descritas por Pereira (2016).
3. PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL
Para o estudo de fundações profundas em areia e seu comportamento sob carregamentos de compressão axial, o presente artigo utilizou dados obtidos no Campo Experimental de Araquari (SC), que se encontra no município de Araquari (SC), próximo à rodovia BR 101, km 66 Norte. O perfil geotécnico foi determinado por meio de sondagens SPT e CPTU, conforme Figura 1, onde são dispostos os valores mínimo, médio e máximo dos ensaios realizados no local.
Figura 1 – Perfis de sondagem: (a) SPT e (b) CPTU
0 5 10 15 20 25 30
0 10 20 30 40 50
P ro fu n d id a d e (m )
N ° de Golpes
NSPT (mínimo) NSPT Médio NSPT (máximo)
0 5 10 15 20 25 30
0 10 20 30 40
u2; fs (kPa)
P ro fu n d id a d e (m )
qc (MPa)
qc (MPa) Médio qc (MPa) mínimo qc (MPa) máximo
(a)(a (b)(a
As estacas, do tipo escavada com polímero estabilizante, sua geometria, fck do concreto, perfil geotécnico e os níveis da isntrumentação utilizada são apresentados na Figura 2. A execução das estacas seguiu o procedimento indicado na norma brasileira NBR 6122:2010. A instrumentação, ao longo do fuste, é composta de sensores de deformação (strain gages) do tipo corda vibrante, modelo 4911 “Sister Bar” fabricados pela Geokon. A disposição dos sensores se deu da seguinte forma: (i) em cada nível de instrumentação foram instalados, no mínimo, dois sensores, diametralmente opostos, junto da armadura longitudinal da estaca; e (ii) o espaçamento vertical entre os sensores variou de acordo com a estaca, assim como a quantidade de níveis instrumentados. O tratamento dos dados e determinação das cargas atuantes ao longo do fuste foram executados por Pereira (2016).
Figura 2 – Estacas, resumo do perfil geotécnico e níveis de strain gages instalados nas estacas A e B
-15,1 m -11,1 m -7,6 m -4,6 m -1,4 m 0,0 m
-23,5 m -22,0 m -18,5 m -14,5 m -11,5 m -7,0 m -4,0 m -1,2 m Estaca A, fck = 20 M Pa
Φ 70 cm; L 15,7 m
Estaca B; fck = 20 M Pa Φ 100 cm; L 24,1 m
Superfície N1
N2
N3
N4
N5
N1
N2
N3
N4
N5
N6
N7 N8
Trecho 1 - 0 a 4 m Areia limpa e fofa.
qc entre 0 e 5 M Pa N
entre 3 e 8 golpes
Trecho 2 - 4 a 11 m Areia fina compacta.
qc entre 5 e 25 M Pa N
entre 20 e 40 golpes
Trecho 3 - 11 a 20 m Areia silto-argilosa fofa à muito fofa, com presença de lâminas de argila.
qc inferior a 5 M Pa N
entre 2 e 7 golpes
Trecho 4 - 20 a 30 m Areia com resistência crescente com a profundidade.
qc entre 5 a 15 M Pa N
entre 4 e 20 golpes 2 sensores
4 sensores
2 sensores
4 sensores
2 sensores
2 sensores
2 sensores
2 sensores
2 sensores
2 sensores
2 sensores
2 sensores
2 sensores
O perfil é tratado como predominatemente arenoso, pois, como apresenta a Figura 2,
a maior parte do substrato é composto de areia, variando seu estado entre fofo e compacto
ao longo da profundidade. O trecho 3 é composto de um solo arenoso, mas com presença de silte e argila, sendo a camada menos resistente em todo o perfil, conforme os resultados das sondagens SPT e CPTU apresentadas na Figura 1.
As provas de carga estática realizadas foram do tipo compressão axial com carga controlada lenta. Os procedimentos realizados seguiram o indicado na norma brasileira NBR 12131:2006 e nas normas internacionais Eurocode 7 Parte 1:1997 e ASTM D1143/D1143M:2007.
A aplicação das cargas foi realizada por meio de macaco hidráulico, centralizado no topo da estaca, sendo a medição e monitoramento das cargas executado por meio de células de carga, posicionadas entre a viga de reação e o macaco hidráulico, garantindo o controle das cargas aplicadas. Os deslocamentos, no topo da estaca carregada, foram medidos com quatro extensômetros com faixa de leitura de 0 a 100 mm e resolução de 0,01 mm, e sobre cada estaca de reação foi colocado um extensômetro de mesma resolução, conforme exibe a Figura 3.
Figura 3 – Sistema de aplicação e medição de deslocamentos utilizado nas provas de carga na (a) estaca A (esquerda) e (b) estaca B (direita): (1) vigas de referência de nível, (2) extensômetro, (3)
macaco hidráulico e (4) célula de carga
O sistema de reação utilizado foi composto de quatro estacas de reação, tipo
hélice contínua, com profundidade de 20 m e diâmetro de 0,8 m, reforçadas com três
barras Dywidag com diâmetro de 36 mm. O espaçamento entre as estacas seguiu
os requisitos da NBR 12131:2006, que recomenda espaçamento mínimo, entre eixos
de estaca, de 3,6 vezes o diâmetro da maior estaca do sistema. Sendo assim
utilizado espaçamento entre eixos de 3,75 m, entre as estacas testadas e as estacas
de reação. O restante do sistema de reação contou com uma viga de reação em aço, conectada às estacas de reação por meio de outras quatro vigas menores, conforme a Erro! Fonte de referência não encontrada..
Figura 4 – (a) Visão geral do sistema de reação das provas de carga estática: (1) viga de reação principal, (2) vigas auxiliares, (3) barras Dywidag das estacas de reação e (b) esquema com as
distâncias entre eixo do sistema de reação
Reação Reação
Reação Reação
Estaca T este 2,70 m 2,70 m
2 ,6 0 m 2 ,6 0 m
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste item são expostos os resultados obtidos no programa experimental, primeiramente com a apresentação das curvas carga-recalque, obtidas nas três provas de carga realizadas, seguido dos resultados alcançados pela instrumentação, e por cada método de interpretação da carga de ruptura.
4.1. Curvas carga-recalque
Foram realizadas três provas de carga estática (PCE), sendo uma na estaca A (Figura 5) e duas na estaca B (Figura 6). As cargas máximas atingidas foram de 2968 kN para a estaca A (Figura 5), e 6833 e 8520 kN para a estaca B (Figura 6). A PCE, na estaca A, foi finalizada ao atingir-se um deslocamento de topo superior a 70 mm, que representa 10% do diâmetro da estaca.
Figura 5 - Curva carga-recalque obtida para a estaca A
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
R ec al qu e ( m m )
Carga (kN)
PCE - lenta com carga máxima de 2968 kN
Na estaca B, foram necessários dois ensaios para atingir um deslocamento de topo superior à 10% do diâmetro da estaca (100 mm). O primeiro ensaio foi interrompido por motivos de segurança, devido a ruptura de uma das barras de aço em uma das estacas de reação. Em um segundo ensaio foi possível alcançar um deslocamento de topo de 100 mm (Figura 6), que representa 10% do diâmetro da estaca, conforme detalhado em Pereira (2016).
Figura 6 - Curvas carga-recalque obtidas para a estaca B
0 20 40 60 80 100 120
0 1500 3000 4500 6000 7500 9000
R ec al q u e ( m m )
Carga (kN)
PCE 1 - carga máxima de 6833 kN
PCE 2 - carregamento máximo de 8520 kN.
Para a aplicação dos métodos de interpretação, na estaca B, utilizou-se a envoltória
dos dois ensaios realizados. Esta foi obtida através de uma linha de tendência com os
pontos de carga-recalque de ambos ensaios, conforme Figura 7.
Figura 7 – Envoltória das curvas carga-recalque na estaca B
y = 3,2504E-10x
3- 1,6750E-06x
2+ 2,7344E-03x R² = 9,8415E-01
0 20 40 60 80 100 120
0 1500 3000 4500 6000 7500 9000
R e ca lq u e (m m )
Carga (kN)
Pontos PCE1 Pontos PCE2
O carregamento máximo obtido para a estaca B foi superior ao da estaca A. Isso se deve a grande diferença na geometria das estacas (Figura 2), tendo a estaca B maior área de contacto em sua lateral e ponta, proporcionando assim maiores carregamentos.
4.2. Ajuste de dimensões das estacas e módulo de elasticidade
Em estacas moldadas in loco o processo de escavação não garante seção transversal constante e o diâmetro nominal fornecido pelo executor é um valor aproximado.
Sendo assim, para o método NBR 6122:2010, a área da seção da estaca (A) e seu diâmetro (B) foram obtidos considerando o consumo de concreto durante a execução das estacas. O módulo de elasticidade (E) se obteve através da resistência à compressão do concreto. Os valores utilizados são apresentados no Quadro 1.
Quadro 1 - Dados para aplicação do método NBR 6122:2010 A (m²) L (m) B (m) E (GPa)
Estaca A 0,44 15,7 0,75 38
Estaca B 0,91 24,1 1,08 37
4.3. Instrumentação
Com relação a instrumentação das estacas, nota-se na Figura 8 os valores máximos de atrito lateral e resistência de ponta obtidos nas estacas A e B. Percebe-se que o atrito sofre uma variação significativa em função da profundidade, em ambas as estacas.
Para a estaca A, o atrito unitário máximo variou de 52 kPa, trecho entre 1,4 e 4,6 m,
a 122 kPa, para o trecho entre 7,6 e 11,1 m. Para a ponta da estaca, a tensão máxima
obtida foi de 250 kPa. A carga de ruptura da estaca A foi de 2731 kN, para um
deslocamento de 47 mm ou 7% do seu diâmetro.
Para a estaca B, o atrito unitário máximo variou de 7 kPa, para o trecho entre 11,5 e 14,5 m, a 147 kPa para o trecho entre 7,0 e 11,5 m. Com relação à ponta da estaca a tensão máxima obtida foi em torno de 1900 kPa. A carga de ruptura da estaca B foi de 6833 kN, para um deslocamento no topo em torno de 40 mm ou 4% do diâmetro da estaca.
Maiores detalhes quanto ao tratamento dos dados, processo e determinação das cargas atuantes ao longo do fuste podem ser consultados em Pereira (2016).
Figura 8 - Atrito lateral e resistência de ponta máximos nas estacas A e B
-15,1 m -11,1 m -7,6 m -4,6 m -1,4 m 0,0 m
-23,5 m -22,0 m -18,5 m -14,5 m -11,5 m -7,0 m -4,0 m -1,2 m Estaca A
Φ 70 cm; L 15,7 m
Estaca B Φ 100 cm; L 24,1 m
Superfície N1
N2
N3
N4
N5
N1
N2
N3
N4
N5
N6
N7 N8
Atrito unitário máximo nos trechos instrumentados.
52 kN/m²
92 kN/m²
122 kN/m²
76 kN/m²
70 kN/m²
65 kN/m²
147 kN/m²
7 kN/m²
72 kN/m²
58 kN/m²
61 kN/m² 250 kN/m²
1900 kN/m²
As Figura 9 e Figura 10 exibem o desenvolvimento da resistência de atrito lateral e
ponta, em função do deslocamento no topo, para as estacas A e B, respectivamente. Cada
linha, no gráfico referente ao desenvolvimento do atrito lateral, representa o valor médio das
tensões de atrito unitárias no trecho entre dois níveis instrumentados e cada marcador um
estágio de carregamento na prova de carga realizada. Convencionou-se que o atrito lateral médio da estaca atinge seu valor limite, denominado também de patamar de escoamento, quando, após um deslocamento de 5 mm no topo, não ocorre aumento no atrito desenvolvido pela estaca, fato observado em ambas as estacas nas Figura 9 e Figura10.
Figura 9 - Desenvolvimento (a) do atrito lateral e (b) da resistência de ponta para a estaca A (PCE1)
0 20 40 60 80 100 120 140
0 10 20 30 40 50 60 70 80
A tr it o u n it á ri o ( k N /m ²)
Deslocamento do topo (mm) 1,4 a 4,6 m 4,6 a 7,6 m 7,6 a 11,1 m 11,1 a 15,1 m Atrito médio Patamar de escoamento
0 50 100 150 200 250 300 350
0 10 20 30 40 50 60 70 80
T e n s ão n a p on ta (k N /m ²)
Deslocamento no topo (mm) Ponta (15,1 m) Patamar de escoamento
(a) (b)
Para a estaca A (Figura 9), o atrito médio (linha vermelha em destaque) começa a se
esgotar a partir de 40 mm ou 6% do diâmetro da estaca, com patamar de escoamento por
volta de 80 kPa, atingindo o pico com 47 mm ou 7% do diâmetro. Tal deslocamento é
correspondente à carga de 2731 kN no topo da estaca. Com relação à ponta da estaca,
percebe-se o esgotamento da resistência de ponta a partir de 20 mm ou 3% do diâmetro da
estaca, para uma tensão por volta de 250 kPa.
Figura 10 - Desenvolvimento (a) do atrito lateral (PCE1) e (b) da resistência de ponta (PCE1e PCE2) para a estaca B
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0 10 20 30 40
A tr it o u n it ár io ( k N /m ²)
Deslocamento no topo (mm)
1,2 a 4,0 m 4,0 a 7,0 m
7,0 a 11,5 m 11,5 a 14,5 m 14,5 a 18,5 m 18,5 a 22,0 m 22,0 a 23,5 m Atrito médio
