GRANDE DO SUL – UNIJUI
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS – DCEEng
GABRIEL VERDI LEAL
ESTUDO DA CAPACIDADE DE CARGA E RECALQUE DE SOLO
RESIDUAL DA CIDADE DE PALMEIRA DAS MISSÕES - RS
Ijuí 2017
ESTUDO DA CAPACIDADE DE CARGA E RECALQUE DE SOLO
RESIDUAL DA CIDADE PALMEIRA DAS MISSÕES - RS
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Civil apresentado como requisito para obtenção do título de Engenheiro Civil.
Orientador: Prof. Carlos Alberto Simões Pires Wayhs
Ijuí 2017
ESTUDO DA CAPACIDADE DE CARGA E RECALQUE DE SOLO
RESIDUAL DA CIDADE DE PALMEIRA DAS MISSÕES - RS
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO CIVIL e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.
Ijuí, 11 de Agosto de 2017
Prof. Mestre Carlos Alberto Simões Pires Wayhs
Mestre pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Orientador
Prof. Mestre Lia Geovana Sala
Mestre em Arquitetura (UFSC)
Coordenadora do Curso de Engenharia Civil/UNIJUÍ
BANCA EXAMINADORA Prof. Doutor André Luiz Bock
O presente trabalho de pesquisa é dedicado a minha família e acima de tudo a Deus.
A minha família, meu pai Walmor Machado Leal, minha mãe Neiva Verdi Leal e meu irmão Cristiano Verdi Leal, além da Ana Rita por me apoiarem e incentivarem nesta trajetória do curso de graduação, por nos momentos mais difíceis estarem presentes.
Ao meu orientador professor Me. Carlos Alberto Simões Pires Wayhs, pelo incentivo ao tema da presente pesquisa e como professor desde 2012 nas disciplinas ministradas no qual fui aluno.
Agradeço também a empresa Ledur Engenharia, por disponibilizar os equipamentos utilizado nesta pesquisa, a empresa Masutti Engenharia pela realização do ensaio de sondagem SPT, e ao LEC – Laboratório de Engenharia Civil por ceder o espaço e equipamentos necessários à realização de todos os ensaios necessários.
Agradeço a minha madrinha Neila, padrinho Antônio e minha tia Neusa por me ajudarem com conselhos e autoestima aos estudos nas horas mais difíceis neste título de graduação.
Agradeço ainda, a empresa em que trabalho Tettosul Engenharia Ltda pelas folgas e incentivos cedido para o estudo durante a graduação perante o trabalho.
Agradecer acima de tudo a DEUS, pela saúde que me deu para seguir forte nas batalhas deste curso de graduação.
“Lute com determinação, abrace a vida com paixão, perca com classe e vença com ousadia, porque o mundo pertence a quem se atreve e a vida é muito bela para ser insignificante.”
LEAL, Gabriel Verdi. Estudo da capacidade de carga e recalque de solo residual da cidade de Palmeira das Missões - RS. 2017. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Civil, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul- UNIJUÍ, Ijuí, 2017.
Este trabalho propõe-se a um estudo sobre o comportamento da capacidade de carga e recalque de solo residual, na cidade de Palmeira das Missões, através da realização de ensaios de placa, utilizando-se placas de 48 e 80 cm de diâmetro. Objetiva-se comparar os valores das tensões, admissível e ruptura, e recalques obtidos nos ensaios de placa com os obtidos de métodos teóricos e semi-empíricos de solo da cidade de Palmeira das Missões. A representação dos resultados dos ensaios se dará através de curvas tensão versus recalque, conforme os ensaios de carregamento de placa executados e interpretados de acordo pela NBR 6489/1984. Além disso, realizaram-se ensaios de laboratório de caracterização geotécnica, com o objetivo de se ter um conhecimento mais aprofundado e aprimorado das propriedades e das características do solo analisado, através dos ensaios do sistema unificado de classificação de solos (SUCS), método rodoviário (HBR) e MCT, sendo este último como um dado complementar a um estudo já realizado na região. Ainda foram realizados ensaios de compactação e suporte do solo. Outro ensaio realizado, complementar aos anteriores citados, foi o ensaio de investigação geotécnica do subsolo, conhecido como ensaio SPT, a fim de identificar e analisar propriedades específicas do reconhecimento do perfil e das camadas do subsolo, para obtenção dos índices de resistência à penetração do solo NSPT. Através dos ensaios de placa, obtiveram-se dados de campo para
efetuar as estimativas de tensões de admissíveis e recalques. Por fim, serão apresentados os resultados e análises realizadas, bem como as comparações dos valores da tensão admissível estimados pelos métodos teóricos e semi-empíricos. A análise do solo verificou-se uma convergência para os valores de tensão admissível pelo critério de Ruver e Consoli Médio, como também para os recalques, sendo para ambos os ensaios realizados nas placas de 48 e 80 cm de diâmetro, respectivamente.
LEAL, Gabriel Verdi. Estudo da capacidade de carga e recalque de solo residual da cidade de Palmeira das Missões - RS. 2017. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Civil, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul- UNIJUÍ, Ijuí, 2017.
This work proposes a study on the behavior of the load-bearing capacity and residual soil repression in the city of Palmeira das Missões, by conducting plaque tests, using plates of 48 and 80 cm in diameter. The objective of this study was to compare the values of the tensions, admissible and rupture, and set-up obtained in the plate tests with those obtained from theoretical and semi-empirical soil methods of the city of Palmeira das Missões. The results of the tests will be represented by voltage versus discharge curves, according to the plate loading tests performed and interpreted according to NBR 6489/1984. In addition, geotechnical characterization laboratory tests were carried out, in order to obtain a more detailed and improved knowledge of the properties and characteristics of the analyzed soil, through the tests of the unified soil classification system (SUCS), road method (HBR) and MCT, the latter being a complementary data to a study already performed in the region. Compaction and soil support tests were also carried out. Another test, complementary to the previous ones, was the underground geotechnical investigation, known as the SPT test, in order to identify and analyze specific profile and subsurface layer recognition properties, in order to obtain the indices of resistance to penetration of the soil. Only NSPT. Through the plate tests, field data were obtained to carry out the estimations of allowable voltages and setbacks. Finally, the results and analyzes will be presented, as well as the comparisons of the allowable voltage values estimated by the theoretical and semi-empirical methods. The soil analysis showed a convergence for the values of voltage allowable by the Ruver and Consoli Medio criterion, as well as for the settling, and for both tests were performed on the plates of 48 and 80 cm in diameter, respectively.
Figura 1: Mapa exploratório de solos do Estado do Rio Grande do Sul ... 25
Figura 2: Identificação da região de Palmeira das Missões-RS ... 26
Figura 3: Ensaio SPT ... 29
Figura 4: Ensaio CPT ... 30
Figura 5: Bulbo de tensões ... 31
Figura 6: Equipamentos do ensaio de placa ... 32
Figura 7: Tipos de ensaios de placa quanto à localização ... 34
Figura 8: Curva tensão-recalque resultante do ensaio ... 35
Figura 9: Sistema sapata-solo ... 36
Figura 10: Ruptura geral ... 36
Figura 11: Ruptura por puncionamento ... 37
Figura 12: Ruptura local ... 37
Figura 13: Obtenção de Nmédio para método semi-empírico ... 42
Figura 14: Curva tensão versus recalque ... 45
Figura 15: Coeficiente de recalque (S) ... 48
Figura 16: Curva tensão versus recalque do ensaio de placa em argila ... 50
Figura 17: Curva tensão versus recalque do ensaio de placa em areia ... 50
Figura 18: Esquema do delineamento de pesquisa ... 52
Figura 19: Localização da cidade de Palmeira das Missões no estado ... 53
Figura 20: Imagem da área estudada na rodovia RS 569 km 04 ... 54
Figura 21: Tipos de solos em Palmeira das Missões ... 55
Figura 22: Equipamentos utilizados nos ensaios de placa ... 56
Figura 23: Conjunto com a placa de 48 cm ... 57
Figura 24: Conjunto com a placa de 80 cm ... 57
Figura 25: Equipamentos utilizados no ensaio com a placa de 80 cm ... 58
Figura 26: Escavadeira hidráulica (sistema de reação-cargueira) ... 58
Figura 27: Nivelamento da base com areia e nível ... 59
Figura 28: Nivelamento das placas ... 60
Figura 29: Realização do ensaio e anotações dos recalques placa de 80 cm... 61
Figura 30: Realização do ensaio e anotações dos recalques placa de 48 cm... 61
Figura 33: Amostra de solo dos – 8,80 metros de profundidade ... 64
Figura 34: Amostra de solo dos – 10,90 metros de profundidade ... 65
Figura 35: Curva granulométrica do solo ... 68
Figura 36: Classificação MCT expedita ... 68
Figura 37: Curva de compactação ... 69
Figura 38: Gráfico tensão x recalque – Placa 48 cm ... 71
Figura 39: Curva adimensionada – Placa 48 cm ... 72
Figura 40: Gráfico tensão x recalque – Placa 80 cm ... 72
Figura 41: Curva adimensionalizada – Placa 80 cm ... 73
Figura 42: Ruptura por puncionamento - placa de 48 cm ... 76
Figura 43: Ruptura por puncionamento - placa de 80 cm ... 76
Figura 44: Gráfico SPT inicial... 77
Figura 45: Gráfico SPT final ... 78
Figura 46: Gráfico de comparação SPT mínimo e médio ... 78
Figura 47: Gráfico métodos tensão admissível do solo – placa 48 cm... 88
Figura 48: Gráfico métodos da tensão admissível do solo – placa 80 cm ... 90
Figura 49: Comparação dos métodos de recalque placa 48 cm ... 93
Tabela 1: Fatores de segurança para fundações superficiais ... 38
Tabela 2: Fatores de forma De Beer (1967) ... 39
Tabela 3: Determinação do peso especifico de solos argilosos (Godoy, 1972) ... 40
Tabela 4: Valores de coesão ... 40
Tabela 5: Recalque admissível para tipo de fundação e solo ... 46
Tabela 6: Fator de influência fundação flexível ... 47
Tabela 7: Fatores de redução ... 48
Tabela 8: Leituras obtidas a partir do ensaio de campo – placa 48 cm ... 70
Tabela 9: Leituras obtidas a partir do ensaio de campo – placa 80 cm ... 70
Tabela 10: Métodos de cálculo da tensão admissível do solo (kPa)- placa 48 cm ... 75
Tabela 11: Métodos de cálculo da tensão admissível do solo (kPa)- placa 80 cm ... 75
Tabela 12: Média utilizada para o índice NSPT placa de 48 e 80 cm de diâmetro ... 77
Tabela 13: Valores de Terzaghi simulando placa de 48 cm ... 80
Tabela 14: Valores de Terzaghi simulando placa de 80 cm ... 81
Tabela 15: Coeficiente de Poisson (Teixeira e Godoy, 1996) ... 82
Tabela 16: Comparação recalques teoria da elasticidade– placa 48 cm ... 82
Tabela 17 - Comparação recalques teoria da elasticidade– placa 80 cm... 82
Tabela 18 - Comparação recalques Schultze e Sherif (1973) placa 48 cm ... 83
Tabela 19 - Comparação recalques Schultze e Sherif (1973) placa 80 cm ... 83
Tabela 20 - Comparação recalques Burland e Burbidge – placa 48 cm ... 84
Tabela 21 - Comparação recalques Burland e Burbidge-placa 80 cm ... 84
Tabela 22 - Comparação recalques Ruver (2005) – placa 48 cm ... 84
Tabela 23 - Comparação recalques Ruver (2005) – placa 80 cm ... 85
Tabela 24 - Comparação das tensões admissíveis com o ensaio de placa 48 cm ... 88
Tabela 25 - Comparação das tensões admissíveis com o ensaio de placa 80 cm ... 90
Tabela 26 - Comparação recalques placa de 48 cm com métodos de cálculo ... 92
Tabela 27 - Comparação recalques placa de 80 cm com métodos de cálculo ... 94
Tabela 28 - Métodos de recalque mais próximos aos recalques placa de 48 cm ... 96
AASHTO Association of State Highway and Transportation
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
CLT Cyclic Load Test
CPT Cone Penetration Test
ELS Estado Limite de Serviço
ELU Estado Limite Último
EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária
FS Fator de Segurança
HRB Highway Research Board
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
IP Índice de Plasticidade
ISC Índice Suporte Califórnia
LEC Laboratório Engenharia Civil LG’ Laterítico Argiloso
LI Limite de Liquidez
LP Limite de Plasticidade
LV 10 Latossolo Vermelho Distroférrico + Nitossolos Vermelhos Eutrófico + Nitossolos Háplicos Eutróficos;
LV 18 Latossolo Vermelho Distroférrico + Nitossolos Vermelhos Eutrófico
LV4 Latossolo Vermelho Distrófico;
NBR Norma Brasileira
PMT Pressuremeter Menard Test
QF Capacidade Carga na Ruptura
QML Quick Maintained Load Test
QS Capacidade de Carga Máxima
RL 59 Neossolos Litólicos Eutrófico + Vertissolos Ebânicos Órticos + Cambissolos Háplicos Eutróficos.
SML Slow Mantained Load Test
SPT Standard Penetration Test
SUCS Sistema Unificado de Classificação dos Solos
TCC Trabalho de Conclusão de Curso
𝜎10: tensão que provoca na placa um recalque de 10mm.
𝜎25:tensão que provoca na placa um recalque de 25mm.
𝜎𝑎 :tensão Admissível
𝜎𝑟: tensão de Ruptura
𝜎: tensão normal no plano de ruptura
𝜎𝑎𝑑𝑚: tensão admissível
𝜎𝑟 𝑚𝑒𝑑: valor médio da capacidade de carga
𝑁SPT: resultado do ensaio SPT (número de golpes)
𝑁SPT,72: valor do ensaio SPT, considerando a transmissão de 72% da energia de cravação (número de golpes)
𝑁SPT,60: valor do ensaio SPT, considerando a transmissão de 60% da energia de cravação (número de golpes)
∈: energia potencial padrão teórica para um peso de martelo e altura de queda padronizados no ensaio SPT
𝐵: uma dimensão conveniente da fundação (lado/diâmetro da fundação)
𝐵𝑝: diâmetro da placa
𝐵𝑓: diâmetro da fundação
𝐿: comprimento de uma fundação
𝑃: força vertical de compressão
ℎ: altura
𝜎𝑟: capacidade de carga
𝑁𝑐, 𝑁𝑞, 𝑒 𝑁𝛾: fatores de capacidade de carga
𝑐: fator de coesão do solo
𝛾: peso específico
𝑆𝑐, 𝑆𝑞 𝑒 𝑆𝛾: fatores de forma
𝜙: ângulo de atrito interno
𝑐′: fator de coesão do solo corrigido
𝑁′𝑐, 𝑁′𝑞, 𝑒 𝑁′𝛾: valores de capacidade de carga referentes ao ângulo interno corrigido
𝜎′𝑟𝑢𝑝: é a carga de ruptura para os valores de parâmetro de resistência do solo aplicados de correção
𝜎𝑅: carga de ruptura
𝜎 𝜌max: tensão provoca recalque máximo
𝜌: valor de recalque
𝜌a: recalque admissível
𝜌𝑖: recalque imediato/inicial
ρT: recalque total
ρc: recalque por adensamento
𝑣: coeficiente de Poisson
𝑞: tensão distribuída uniformemente sobre uma fundação ou placa
𝐼: fator de influência
𝑛: relação da largura da fundação x largura da placa
N: índice resistência à penetração do SPT 𝜌𝑝: recalque imediato da placa
𝐸𝑠: modulo de deformabilidade
𝐼𝑝: fator de influência da fundação
𝐷: profundidade de apoio da fundação
d: diâmetro
𝐹: coeficiente de recalque
S: coeficiente de recalque método de Burland e Burbidge 𝐻: variável de recalque para Ruver (2005)
𝐼𝑐: variável de recalque para Burlund e Burbidge (1985)
𝑁𝑐𝑜𝑟𝑟: valor de 𝑁𝑆𝑃𝑇 corrigido R1: leitura em (mm) recalque R2: leitura em (mm) recalque R3: leitura em (mm) recalque m: metro m²:metro quadrado mm: milímetro cm: centímetro
𝐻: variável de recalque para Ruver (2005)
W(ensaio): recalques obtidos no ensaio de placa
W(cálculo): recalques obtidos pelos métodos de cálculos de recalque
MPa: Megapascal
kN: Quilonewton
1 INTRODUÇÃO ... 20 1.1 Motivação pessoal ... 20 1.2 Contexto ... 21 1.3 Problema ... 21 1.3.1 Questões de Pesquisa ... 22 1.3.2 Objetivos da Pesquisa ... 22 1.3.3 Delimitação ... 23 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 24
2.1 Formação e classificação do solo ... 24
2.2 Fundações ... 27
2.2.1 Fundações superficiais ... 27
2.2.2 Fundações profundas ... 28
2.3 Investigações geotécnicas ... 28
2.3.1 Standard Penetration Test (SPT) ... 29
2.3.2 Correção dos valores de NSPT ... 30
2.3.3 Cone Penetration Test (CPT) ... 30
2.3.4 Ensaio de placa ... 31
2.3.5 Tipos de ensaios (Provas de carga direta) ... 32
2.3.6 Descrição da execução do ensaio de placa ... 33
2.3.7 Interpretação dos resultados obtidos no ensaio de placa ... 34
2.4 Capacidade de carga de sapatas ... 35
2.5 Modos de ruptura ... 36
2.6 Tensão admissível ... 37
2.7 Métodos de estimativa da capacidade de carga ... 38
2.7.1 Métodos teóricos ... 39
2.7.2 Métodos semi-empíricos ... 41
2.7.2.1 Método de Mello ... 41
2.7.2.2 Método de Teixeira e Godoy ... 41
2.7.2.3 Método de Ruver e Consoli ... 42
2.8 Tensão admissível a partir do ensaio de placa ... 42
2.9.1 Recalques totais limites ... 46
2.9.2 Modelos para a previsão dos recalques ... 46
2.9.2.1 Teoria da Elasticidade ... 46
2.9.2.2 Método de Schultze e Sherif ... 47
2.9.2.3 Método de Ruver ... 48
2.9.2.4 Método de Burland & Burbidge ... 49
2.10 Previsão dos recalques ... 49
3 MÉTODO DE PESQUISA ... 51
3.1 Estratégia de pesquisa ... 51
3.2 Delineamento ... 51
3.3 Descrição do local estudado ... 53
3.4 Ensaio de placa ... 55
3.4.2 Sistema de reação ... 58
3.4.3 Etapas da realização dos ensaios de placa ... 59
3.5 Ensaio SPT ... 62
3.5.1 Etapas da realização do ensaios SPT ... 63
3.6 Ensaios de caracterização geotécnica ... 65
3.7 Metodologias de cálculos ... 66
4 ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 67
4.1 Caracterização do solo ... 67
4.2 Ensaios de carregamento em placa ... 69
4.2.1 Resultados do ensaio de campo ... 70
4.3 Análise dos ensaios de placa quanto à capacidade de carga ... 73
4.3.1 Análises dos ensaios de placa quanto ao recalque ... 75
4.4 Cálculos de estimativa da capacidade de carga ... 76
4.4.1 Método de Mello ... 79
4.4.2 Método de Teixeira e Godoy (1998) ... 79
4.4.3 Método de Ruver e Consoli (2006) ... 80
4.4.4 Teoria de Terzaghi ... 80
4.5 Cálculos de estimativa de recalques ... 81
4.5.1 Teoria da Elasticidade ... 81
4.5.2 Método de Schultze e Sherif ... 83
4.5.4 Método de Ruver ... 84
5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 86
5.1 Conclusões ... 86
5.1.1 Pedologia do solo ... 86
5.1.2 Ensaios de caracterização geotécnica ... 86
5.1.3 Quanto aos resultados do ensaio SPT ... 87
5.1.4 Quanto aos ensaios de carregamento em placas... 87
5.1.5 Quanto aos métodos de tensão admissível na placa de 48 cm ... 87
5.1.6 Quanto aos métodos de tensão admissível na placa de 80 cm ... 89
5.1.7 Recalque e tensão de ruptura pelos ensaios de carregamento em placa... 91
5.1.8 Métodos de estimativa de recalque ... 92
5.2 Sugestões para trabalhos futuros ... 96
ANEXO A - RELATÓRIO DE SONDAGEM – PALMEIRA DAS MISSÕES . 101 ANEXO B - TABELA DE LEITURAS P. DAS MISSÕES – PLACA 48 CM .... 102
1 INTRODUÇÃO
Esta pesquisa abrange a área de engenharia de fundações, mais especificamente trata-se da análise da capacidade de carga e recalque de solo residual da cidade de Palmeira das Missões, onde torna-se de grande interesse em conhecer a capacidade de carga e a previsão dos recalques que se submete uma estrutura de fundação superficial. Ainda, o estudo comtempla ensaios de placas com diferentes diâmetros recomendados pela NBR 6489 (ABNT,1984).
Em vista disso, foram realizados ensaios de campo através dos ensaios de placa e do ensaio SPT, ensaio este que abrange maiores verificações e comparações aos métodos de cálculos realizados com os ensaios de placa. Além disso, contempla o estudo com os ensaios de caracterização geotécnica do solo.
Para a realização de um estudo de comportamento de solos com base em ensaios de placa busca-se soluções cada vez mais viáveis economicamente para as obras de engenharia. Desta forma, é importante que a engenharia de fundações evolua no sentido de reduzir coeficientes de segurança, colaborando, assim, para a redução de custos e para a otimização dos processos. Uma maneira de se alcançar esse objetivo está no emprego, dos ensaios de placa para a determinação da pressão admissível do solo (RUSSI, 2007, p. 16).
Para Kublick (2010), o engenheiro nem sempre dispõe de vastos dados para entender o verdadeiro comportamento do solo frente ao projeto de fundação. Com isso, leva o profissional a utilizar coeficientes de segurança, muitas vezes não adequados para aquela realidade, elevando-se os custos das obras e gerando incertezas com relação às características geotécnicas do solo com o projeto.
Hachich et al. (1998), relata que o ensaio de placa é, ainda, uma das melhores alternativas para determinar as características de deformação dos solos, sendo, no Brasil, usual utilizar-se de placas circulares, de ferro fundido ou aço, com 80 cm de diâmetro, como também placas quadradas ou circulares com 30 cm de lado, ou diâmetro.
De acordo com Russi (2007), o ensaio de carregamento direto sobre placas reproduz, em uma escala reduzida, o comportamento real da futura fundação. Ainda assim é um poderoso recurso para o dimensionamento de fundações superficiais, bem como para o desenvolvimento eficaz de obras de fundação.
1.1 Motivação pessoal
A motivação pessoal para a escolha desta temática para o trabalho de conclusão de curso foi a possibilidade de ser realizado o primeiro ensaio de placa na cidade de Palmeira das
_____________________________________________________________________________ Missões, além de o estudo auxiliar na formação de um banco de dados regional com as características geotécnicas do solo, tensões admissíveis e recalques até aqui estudados.
1.2 Contexto
Segundo Barata (1984), o ensaio de placa foi uma das primeiras aplicações de ensaio “in situ” para a determinação das propriedades de deformação e ruptura do solo. Além disso, este ensaio é uma das principais ferramentas para a determinação da capacidade de carga e recalque de fundações rasas em um projeto de fundações. Perante os estudos de pavimentos é um dos ensaios mais realísticos.
O ensaio de placa, na maioria das vezes, não é utilizado devido aos altos custos e pela grande disponibilidade de tempo que os ensaios exigem, além de se dispor de um sistema de reação compatível com as tensões de que se deseja mobilizar no ensaio (RUVER, 2005).
“Os estudos para o projeto e a execução de fundações de estruturas (edifícios, pontes, viadutos, bueiros, túneis, muros de arrimo etc.) requerem, como é obvio, prévias investigações geotécnicas, tanto mais desenvolvidas quanto mais importante seja a obra” (CAPUTO, 1988, p. 5).
De acordo com Schnaid e Odebrecht (2012), qualquer projeto geotécnico independentemente de sua natureza, é executado com base em ensaios de campo, pois permite uma estratigrafia do subsolo, além de analisar as propriedades geotécnicas de forma mais realista em relação a um projeto de fundações.
Diante disso, esta pesquisa visa estudar e entender qual o comportamento quanto a capacidade de carga e recalque do solo. Além disso, este estudo engloba uma série de comparações e avaliações dos resultados obtidos em campo com as metodologias de cálculos realizadas.
1.3 Problema
Conforme Russi (2007), o dimensionamento de fundações superficiais deve ser definido pelo profissional de forma clara e objetiva, com a previsão da sua capacidade de carga e seus recalques, onde as propriedades mecânicas do solo são baseadas em ensaios de investigação de campo e laboratório.
O avanço tecnológico que vem sendo alcançado na construção civil, (seja através da aplicação de novos métodos construtivos, seja através de novos processos de
cálculos), deve ser acompanhado pelo desenvolvimento e aplicação de ensaios específicos para a determinação de parâmetros do comportamento e da capacidade de carga do solo, juntamente com o estudo de recalques (RUSSI, 2007, p. 15).
Segundo Ruver (2005), os conceitos clássicos de mecânica dos solos foram desenvolvidos a partir de comportamentos de areias e argilas, sendo que durante muitos anos foram utilizados para qualquer tipo de solo. Com isso houve muitas preocupações sobre o real comportamento de outros tipos de solos.
Russi (2007) cita em sua dissertação, que de acordo com Décourt e Quaresma Filho (1996), o ensaio de placa é um dos ensaios mais adequados para as características de carga-recalque para uma fundação. Ainda assim, afirmam que a não utilização, muitas vezes, deste ensaio, deve-se a dificuldades técnicas e econômicas.
1.3.1 Questões de Pesquisa
Como questão geral da pesquisa, adotou-se:
Qual é a capacidade de carga e recalque de solo residual da cidade de Palmeira das Missões?
Em relação à questão principal, surgem outras na sequência, como secundárias:
O valor da tensão admissível no ensaio de placa é maior ou menor comparando-se aos valores obtidos dos métodos bacomparando-seados a partir do ensaio de SPT?
Qual o tipo de ruptura no solo depois da aplicação da carga de reação no ensaio de placa?
Qual é o valor da tensão de ruptura atingida no solo pelos ensaios? 1.3.2 Objetivos da Pesquisa
O objetivo geral desta pesquisa é estudar o comportamento de solo de Palmeira das Missões quanto à capacidade de carga e recalque, através dos ensaios de campo, de placa e SPT, e da caracterização geotécnica deste solo.
Objetivos específicos referentes ao tema:
Identificar o tipo de ruptura que o solo em estudo irá apresentar na aplicação de carga;
_____________________________________________________________________________ Comparar os valores da tensão admissível e recalques obtidos nos ensaios de
placa com os obtidos a partir de métodos teóricos e semi-empíricos.
1.3.3 Delimitação
O trabalho delimita-se no estudo da capacidade de carga e recalque de solo residual de Palmeira das Missões, cidade da região noroeste do Rio Grande do Sul, pretendendo-se avaliar os diferentes métodos de cálculos empregados para a determinação das tensões admissíveis e de rupturas, comparando com os resultados dos ensaios de placa de 48 e 80 cm de diâmetro realizados.
Na sequência do presente estudo, serão apresentados, através de revisão bibliográfica, os principais temas abordados e relacionados a esta presente pesquisa.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
No presente capítulo, são apresentados os principais temas relacionados a capacidade de carga do solo e recalques, como a classificação do solo, classificação das fundações, ensaios de placa, ensaio SPT e métodos de estimativa de capacidade de carga e recalques.
2.1 Formação e classificação do solo
Do ponto de vista da formação dos solos, Caputo (1988) apresenta definições da formação dos solos, relacionados aos solos residuais, solos sedimentares e solos de formação orgânica.
“Dentre eles, os solos residuais (ou autóctones) são os que permanecem no local da rocha de origem, observando-se uma gradual transição do solo até a rocha.” (CAPUTO, 1988, p.15).
Dentre os solos residuais merecem destaque, os solos lateríticos, os expansivos (como o "massapê" da Bahia) e os porosos (ex: solos de Brasí1ia). Estes últimos são assim denominados pelo fato de sua porosidade ser extremamente elevada; na literatura estrangeira designam-se por "solos colapsíveis", pois em determinadas condições de umidade sua estrutura quebra-se, dando origem a elevados recalques das obras que assentam sobre eles (CAPUTO,1988, p.15).
Solos sedimentares (ou alotóctones) são os que sofrem a ação de agentes transportadores, podendo ser aluvionares (quando transportados pela água), eólicos (quando transportados pelo vento), coluvionares (pela ação da gravidade) e glaciares (pelas geleiras). As texturas desses solos variam com o tipo de agente transportador e com a distância de transporte (CAPUTO,1988, p.15).
“Solos de formação orgânica são os de origem essencialmente orgânica, seja de natureza vegetal (plantas, raízes), ou animal (conchas).” (CAPUTO, 1988, p.15)
Além disso, complementar a Caputo (1988), Vogt (2015) apresentou em seus estudos segundo Oliveira e Brito (1998), a diferença entre solos residuais e transportados, onde solos residuais são aqueles que permanecem no local onde foram formados pela decomposição das rochas através do fenômeno de intemperismo, tanto químico quanto físico. Já solos transportados são aqueles que sofreram transporte por agentes geológicos (chuva, rios, vento, etc.) do seu local de origem até o seu local de depósito, onde são encontrados atualmente.
Analisando o mapa exploratório de solos do nosso estado do IBGE na Figura 1 e na Figura 2, percebe-se que a região de Palmeira das Missões apresenta o tipo de solo predominante como sendo Latossolo Vermelho - Escuro Húmico Álico (Latossolo Vermelho). Além desta classificação do solo, através do mapa exploratório de solos, através de ensaios de
_____________________________________________________________________________ laboratório, dentre eles, os ensaios de caracterização geotécnica e de investigação do subsolo, onde permitiu-se classificar o solo pelos seguintes métodos: SUCS, HRB/AASHTO e pela classificação MCT, detalhados nos capítulos 4 e 5.
Figura 1: Mapa exploratório de solos do Estado do Rio Grande do Sul
Figura 2: Identificação da região de Palmeira das Missões-RS
Fonte: IBGE (2017)
Fernandes (2014) dissertou que de acordo com Santos et al. (2013), os solos do município estão subdivididos em quatro diferentes classificações e siglas adotados como referência:
LV 18 – Latossolo Vermelho Distroférrico + Nitossolos Vermelhos Eutrófico;
LV4 – Latossolo Vermelho Distrófico;
LV 10 – Latossolo Vermelho Distroférrico + Nitossolos Vermelhos Eutrófico + Nitossolos Háplicos Eutróficos;
RL 59 –Neossolos Litólicos Eutrófico + Vertissolos Ebânicos Órticos + Cambissolos Háplicos Eutróficos.
Segundo a Embrapa (2006):
Os latossolos são solos constituídos por material mineral, apresentando horizonte B latossólico imediatamente abaixo de qualquer tipo de horizonte A, dentro de 200 cm da superfície do solo ou dentro de 300 cm, se o horizonte A apresenta mais que 150 cm de espessura.Em relação à composição química dos latossolos, são solos com saturação por bases baixa (V < 50%) e teores de Fe2O3 (pelo H2SO4) de 180g/kg a < 360g/kg na maior parte dos primeiros 100 cm do horizonte B. (EMBRAPA, 2006, cap.10)
Os nitossolos são solos com 350g/kg ou mais de argila, inclusive no horizonte A, constituídos por material mineral que apresentam horizonte B nítico abaixo do
_____________________________________________________________________________ horizonte A, com argila de atividade baixa ou caráter alítico na maior parte do horizonte B, dentro de 150 cm da superfície do solo. (EMBRAPA, 2006, cap.13) Os cambissolos compreende solos constituídos por material mineral com horizonte B incipiente subjacente a qualquer tipo de horizonte superficial, exceto hístico com 40 cm ou mais de espessura, ou horizonte A chernozêmico, quando o B incipiente apresentar argila de atividade alta e saturação por bases alta. Plintita e petroplintita, horizonte glei e horizonte vértico, se presentes, não satisfazem os requisitos para Plintossolos, Gleissolos e Vertissolos, respectivamente. (EMBRAPA, 2006, p.77) Os neossolos compreendem solos constituídos por material mineral, ou por material orgânico pouco espesso, que não apresentam alterações expressivas em relação ao material originário devido à baixa intensidade de atuação dos processos pedogenéticos, seja em razão de características inerentes ao próprio material de origem, como maior resistência ao intemperismo ou composição químico-mineralógica, ou por influência dos demais fatores de formação (clima, relevo ou tempo), que podem impedir ou limitar a evolução dos solos. (EMBRAPA, 2006, p.88) Os vertissolos compreendem solos constituídos por material mineral apresentando horizonte vértico e pequena variação textural ao longo do perfil, nunca suficiente para caracterizar um horizonte B textural. Apresentam pronunciadas mudanças de volume com o aumento do teor de água no solo, fendas profundas na época seca, e evidências de movimentação da massa do solo, sob a forma de superfícies de fricção (slickensides). Podem apresentar microrrelevo tipo gilgai e estruturas do tipo cuneiforme, inclinadas e formando ângulo com a superfície horizontal. Estas características resultam da grande movimentação da massa do solo que se contrai e fendilha quando seca e se expande quando úmida. São de consistência muito plástica e muito pegajosa, devido à presença comum de argilas expansíveis ou mistura destas com outros argilominerais. (EMBRAPA, 2006, p.90)
2.2 Fundações
2.2.1 Fundações superficiais
Fundação superficial é o elemento estrutural de fundação no qual a carga é transmita no terreno pelas tensões distribuídas sob a base do elemento de fundação a ser projetado. (ABNT, 2010).
Segundo a norma NBR 6122 (ABNT, 2010), as fundações superficiais podem ser classificadas em: sapata, bloco, radier, sapata associada e sapata corrida, definidas conforme os tipos e diferenças:
Sapata: é o elemento estrutural de fundação superficial, de concreto armado, dimensionado a fim de que as tensões de tração solicitadas no elemento de fundação, sejam resistidas pela armadura dimensionada para tal fim;
Bloco: executado com concreto, dimensionado, o qual deve resistir às tensões de trações nele aplicadas sem a necessidade de uso da armadura, sendo o concreto o responsável pela resistência à tração;
Radier: elemento superficial de fundação que abrange parcialmente ou totalmente os pilares de uma estrutura distribuindo-se os carregamentos;
Sapata associada: elemento superficial de fundação comum a mais de um pilar:
Sapata corrida: elemento superficial de fundação onde a carga é distribuída linearmente ou a cargas dos pilares ao longo de um mesmo alinhamento na fundação.
2.2.2 Fundações profundas
Conforme a NBR 6122 (ABNT, 2010), são elementos de fundação que transmitem a carga pela base (resistência de ponta) ou pela superfície lateral (resistência de fuste), ou ainda pela combinação das duas citadas. A ponta ou a base devem estar assentes em profundidade superior ao dobro da sua menor dimensão em planta e no mínimo de 3,0 m.
Aprofundando os tipos de fundações profundas, de acordo com Velloso & Lopes (2011), são separadas em três grandes grupos (estacas, tubulão e caixão):
Estaca: é definida quanto à forma de execução que se dá por ferramentas ou equipamentos, além do mais, pode ser escavada ou cravada com o tipo mais apropriado para tal fim, ou ainda, mista.
Tubulão: é o elemento de fundação profunda de forma cilíndrica que no final de sua execução, requer a descida de operário ou técnico, envolvendo portanto, a descida de pessoas.
Caixão: fundação profunda de forma prismática, concretado na superfície e instalado por escavação interna, sendo o elemento de fundação citado pelo autor e não descrito na NBR 6122/2010.
2.3 Investigações geotécnicas
Segundo a NBR 6122 (ABNT, 2010), para qualquer edificação deverá ser feita investigação geotécnica preliminar, constituída no mínimo por: sondagens a percussão (com SPT), classificação dos solos, posição do nível d água e a medida do índice de resistência à penetração NSPT.
_____________________________________________________________________________ Em função dos resultados obtidos na investigação geotécnica preliminar pode ser necessária uma investigação complementar, através da realização de sondagens adicionais, instalação de indicadores de nível d água, piezômetro, bem como de outros ensaio de campos e ensaios de laboratório. Em obras de grandes extensões, a
utilização de ensaio geofísicos, pode se constituir num auxiliar eficaz no traçadodos
perfis geotécnicos do subsolo. (ABNT, 2010, p. 9).
Em relação à extensão das investigações geotécnicas preliminares realizadas, devem ser feitas investigações adicionais sempre quando forem constatadas diferenças entre as condições locais e as indicações fornecidas pela investigação preliminar (ABNT, 2010).
2.3.1 Standard Penetration Test (SPT)
Segundo Velloso & Lopes (2011), o ensaio de penetração dinâmica SPT normalizado pela NBR 6484/2001 é realizado a cada metro na sondagem à percussão. O ensaio consiste na cravação de um amostrador normalizado, chamado originalmente de Raymond-Terzaghi, por meio de golpes de um peso de 65 kgf caindo de 75 cm de altura. Anota-se o número de golpes necessários para cravar os 45 cm do amostrador em três conjuntos de golpes para cada 15 cm. O resultado do ensaio SPT é o número de golpes necessários para cravar os 30 cm finais, desprezando-se, portanto, os primeiros 15 cm. A Figura 3, demonstra o tipo do equipamento utilizado para o ensaio.
Figura 3: Ensaio SPT
2.3.2 Correção dos valores de NSPT
De acordo com Ruver e Consoli (2006), adota-se como correção o NSPT,60 dos valores
compreendidos na profundidade de 2𝐵 abaixo da fundação, considerando-se uma energia de cravação de 72%, comparada ao padrão internacional de 60% de aproveitamento de energia teórica, conforme Equação 1:
𝑁𝑆𝑃𝑇, 60 =𝑁𝑆𝑃𝑇,72.0,72.∈
0,60. ∈ = 1,20𝑁𝑆𝑃𝑇,72 (1)
Onde:
NSPT,72 é valor do ensaio considerando-se 72% de energia de cravação;
NSPT,60 o padrão internacional de energia de cravação (60%);
𝜖 energia potencial teórica padrão do peso do martelo pela altura de queda.
2.3.3 Cone Penetration Test (CPT)
Velloso & Lopes (2011) definem queo ensaio CPT consiste basicamente na cravação a velocidade lenta e constante (dita ''estática" ou "quase estática") de uma haste com ponta cônica, medindo-se a resistência encontrada na ponta e a resistência por atrito lateral, de acordo com o diagrama da Figura 4.
Figura 4: Ensaio CPT
_____________________________________________________________________________ 2.3.4 Ensaio de placa
O ensaio de placa procura reproduzir uma fundação em escala quase natural ou real. Assim o ensaio basicamente conta com dois tipos de deformações do solo, uma por redução de volume por compressibilidade e outra do tipo cisalhante, resultando em uma mudança de forma subjacente a sapata (MELLO & TEIXEIRA, 1968).
Para Hachich et al. (1998), o ensaio de placa é um ensaio do qual consegue-se obter as tensões admissíveis do solo e seus recalques de forma real, além do tipo de ruptura do solo, sendo uma das melhores maneiras de determinação do comportamento real do solo, no qual o resultado se dá através do gráfico da curva tensão x recalque.
O ensaio de placas, só é aplicável segundo Cintra, Aoki e Albiero (2003), quando o solo considerado for razoavelmente uniforme ou homogêneo nas profundidades das camadas do solo, pois o bulbo de pressões que resulta do contato entre a base da fundação e o solo na placa é bem menor que o bulbo de pressões causada pela sapata, conforme observa-se na Figura 5.
Figura 5: Bulbo de tensões
Fonte: Velloso e Lopes (1996)
Na Figura 6, refere-se aos equipamentos instalados que procedem à exemplificação de um ensaio de placa, conforme Alonso (2012).
Figura 6: Equipamentos do ensaio de placa
Fonte: Alonso (2012)
2.3.5 Tipos de ensaios (Provas de carga direta)
Kublik (2010) dissertou que de acordo com Militisky (1991), apresenta diversos métodos de execução dos ensaios de provas de carga direta sobre terreno de fundações:
a) Ensaio lento – SML (Slow Maintained Load Test)
A tensão é aplicada em estágios em que não devem ser superior a 20% da tensão admissível provável do solo, sendo efetuada a mudança de estágio somente na diferença entre duas leituras de recalques, realizadas nos tempos. Os recalques, em cada estágio, deverão ser lidos imediatamente após a aplicação da carga, em intervalos de tempo sucessivamente dobrados (1,2,4,8,15min.). O procedimento do ensaio deve prosseguir até um recalque total de 25mm ou, até o dobro da tensão admissível provável do solo, recomenda-se, conforme a NBR 6489/84, que a tensão máxima deve ser mantida, pelo menos, por 12 horas, caso não ocorra a ruptura nítida no ensaio. O descarregamento, deverá ser mantido até a estabilização.
b) Ensaio rápido – QML (Quick Maintained Load Test)
Este ensaio é comumente utilizado a partir do recomendado pela NBR 12131/91- “Estacas – Prova de Carga Estática”, por não se ter uma normatização especifica (ABNT,1991).
_____________________________________________________________________________ c) Ensaio cíclico – CLT (Cyclic Load Test)
Esse tipo de ensaio é muito utilizado em aeroportos e pavimentos rodoviários. Seu funcionamento se dá em ciclos de carregamento nas faixas de 1/3 da tensão admissível provável estimada do solo, onde os descarregamentos de metade da carga são repetidos em torno de 20 vezes.
2.3.6 Descrição da execução do ensaio de placa
Os procedimentos e equipamentos utilizados para o ensaio de placa são normatizados pela NBR 6489 (ABNT, 1984), do qual utiliza-se uma placa com área mínima de 0,5 m², que é alocada na mesma cota em que será assentada a fundação. Aplica-se, portanto, cargas verticais no centro da placa, em estágios sucessivos e mede-se a deformação simultaneamente com o incremento da carga, resultando em um gráfico de pressão x recalque.
De acordo com Russi (2007) em sua dissertação, os sistemas para a realização do ensaio de placa são basicamente compostos por três definições, conforme ilustrado abaixo:
Sistema de reação: uma cargueira que pode ser, um caminhão carregado ou uma caixa com areia, brita ou solo, sendo que o sistema de reação tem por finalidade a transmissão da carga, além de uma reação capaz de contrapor as cargas solicitadas pelo macaco hidráulico.
Sistema de transmissão de cargas: geralmente é composto por um macaco hidráulico, rótula, uma célula de carga, uma torre de transferência e a placa propriamente dita.
Sistema de leitura: o sistema é disposto por medidores de deslocamentos (deflectômetros ou dispositivos eletrônicos do tipo LVDT), que são fixados em pontos distintos na placa por uma viga de referência.
A Figura 7, ilustra quanto aos tipos de localização dos ensaios no solo e quanto ao nível que podem ser realizados tanto na superfície, em cavas ou em furos, segundo Velloso & Lopes (2011).
Figura 7: Tipos de ensaios de placa quanto à localização
Fonte: Velloso e Lopes (2011)
Algumas recomendações da NBR 6489 (ABNT,1984) apresenta-se a seguir:
A carga deve ser aplicada à placa no máximo a 20% da taxa admissível provável do solo. Em cada estágio da aplicação da carga, os recalques serão imediatamente lidos, em tempos dobrados 1, 2, 4, 8, 15 minutos. Após a estabilização dos recalques é aplicado um acréscimo de carga, obedecendo-se uma tolerância de 5% do recalque total nesse estágio entre as leituras sucessivas.
Com relação ao recalque, deverá ser levado até um recalque total de 25 mm ou ainda, até atingir o dobro da taxa admitida prevista para o solo, no qual a carga máxima alcançada caso não se vá à ruptura deverá ser mantida por, pelo menos, até 12 horas no ensaio.
A descarga, ocorre de maneira idêntica ao carregamento já efetuado no ensaio, não sendo superiores a 25% da carga total e mantendo-se cada estágio até a estabilização dentro da precisão admitida.
2.3.7 Interpretação dos resultados obtidos no ensaio de placa
Segundo a NBR 6489 (ABNT, 1984), após a realização do ensaio, apresenta-se uma curva tensão x recalque obtida através da análise dos resultados, onde visualiza-se a tensão aplicada para o recalque imediato correspondente, conforme apresenta-se na Figura 8.
_____________________________________________________________________________ Figura 8: Curva tensão-recalque resultante do ensaio
Fonte: Teixeira e Godoy (1998)
2.4 Capacidade de carga de sapatas
Segundo Cintra, Aoki e Albiero (2003), considerando uma sapata de concreto armado com largura 𝐵 e comprimento 𝐿, assentada no maciço de um solo a uma profundidade h, em relação à cota da superfície do terreno, ao aplicar-se progressivamente uma força vertical de compressão 𝑃 no topo da sapata, resultará em uma tensão média na base do elemento estrutural de fundação, ou seja a tensão de ruptura 𝜎r máxima atingida, ou seja, a capacidade de carga do sistema sapata-solo, definida pela Equação 2:
𝜎 = 𝑃
𝐵𝐿 (2)
Em relação à denominação do estudo anteriormente citado o sistema sapata-solo, não se trata apenas da capacidade de carga da sapata, pelo fato de que a 𝜎r depende também do maciço do solo, principalmente nos parâmetros de resistência. Por outro lado, também não se trata apenas de capacidade de carga do solo, pois 𝜎r depende de características da sapata, como a sua geometria e profundidade de embutimento. Com isso, justifica-se a denominação mais apropriada de capacidade de carga como sistema sapata-solo, no qual a geometria da sapata e os parâmetros de resistência do solo são de extrema importância para serem nomeados como sistema sapata-solo de acordo com a Figura 9 (CINTRA; AOKI; ALBIERO, 2003).
Figura 9: Sistema sapata-solo
Fonte: Cintra, Aoki e Albiero (2003)
2.5 Modos de ruptura
Segundo Vesic (1975) apud Cintra, Aoki e Albiero (2003), classificam os modos de ruptura do maciço de solo de um elemento isolado de fundação em: ruptura geral, ruptura local e ruptura por puncionamento.
Conforme Cintra, Aoki e Albiero (2003), a ruptura geral é caracterizada quando se forma uma superfície de deslizamento contínua, partindo da borda da base do elemento estrutural de fundação e indo até a superfície do terreno. A carga é bem definida e a ruptura é repentina, observa-se uma protuberância na superfície do solo que é acompanhada também por tombamento da fundação, consoante a Figura 10.
Figura 10: Ruptura geral
Fonte: Cintra, Aoki e Albiero (2003)
A ruptura por puncionamento ocorre quando a aplicação da carga à sapata tem um significativo afundamento por compressão do solo. O solo externo a área não carregada
_____________________________________________________________________________ praticamente não é afetado ao redor da área carregada, não havendo portanto, movimentos de solo na superfície externa, conforme a Figura 11 (CINTRA; AOKI; ALBIERO, 2003).
Figura 11: Ruptura por puncionamento
Fonte: Cintra, Aoki e Albiero (2003)
Sobre a ruptura local é definida pela base do elemento estrutural de fundação que constitui-se em um caso intermediário, com características dos outros dois modos de ruptura citados anteriormente, representada pela Figura 12 (CINTRA; AOKI; ALBIERO, 2003).
Figura 12: Ruptura local
Fonte: Cintra, Aoki e Albiero (2003)
2.6 Tensão admissível
De acordo com a NBR 6122 (ABNT, 2010), para o projeto de fundações, a grandeza fundamental é a verificação da tensão admissível. Assim, estas tensões devem obedecer simultaneamente aos estados limites últimos (ELU) e de serviço (ELS) para cada elemento isolado ou no conjunto de toda a fundação.
A tensão admissível de projeto deve ser determinada através de métodos teóricos, provas de carga e métodos semi-empíricos (ABNT, 2010).
Para fins de cálculo, o item 6.2.1.1.1 da NBR 6122 (ABNT,2010, p.16) define os fatores de segurança global ou parciais para a obtenção da tensão admissível de cálculo, de acordo com a Tabela 1.
Tabela 1: Fatores de segurança para fundações superficiais
Fonte: ABNT (2010)
Para Cintra, Aoki e Albiero (2003), obtendo-se a tensão média de ruptura no solo é necessário estabelecer que fração desse valor poderá atuar no solo com segurança mínima à ruptura.
A Equação 3 da tensão admissível (𝜎𝑎𝑑𝑚) é definida pelo 𝐹𝑠, fator normatizado de segurança global e (𝜎𝑟 𝑚𝑒𝑑) representa o valor médio de capacidade de carga.
𝜎𝑎𝑑𝑚 =𝜎𝑟 𝑚𝑒𝑑
𝐹𝑆 (3)
2.7 Métodos de estimativa da capacidade de carga
Segundo SIMONS e MENZIES (1981), a capacidade de carga na ruptura (𝑞𝑓) é o valor da capacidade de carga para o qual o terreno sofre ruptura por cisalhamento.
Capacidade de carga máxima (𝑞𝑠): é a quantidade de tensão aplicada que o solo suportará com segurança (sem risco de ruptura), sem levar em consideração os recalques que possam surgir. É expressa por 𝑞𝑠=𝑞𝑓⁄𝐹𝑠, onde 𝐹𝑠 é o coeficiente de segurança que varia de 1,75
a 3,0 (SIMONS; MENZIES, 1981).
Capacidade de carga admissível (𝑞𝑎): é a quantidade de tensão aplicada ao solo levando em consideração tanto a capacidade de carga quanto os recalques (SIMONS; MENZIES, 1981).
_____________________________________________________________________________ A seguir são apresentados os métodos de determinação da tensão admissível ou tensão resistente de projeto a partir do estado limite último correspondendo aos métodos teóricos, métodos semi-empíricos e prova de carga sobre placa, previstos na NBR 6122/2010.
2.7.1 Métodos teóricos
O item 7.3.2 da NBR 6122 (ABNT, 2010), indica que podem ser empregados métodos analíticos (teorias de capacidade de carga) nos limites de validade de sua aplicação, que contemplem cada tipo de projeto, inclusive a natureza do carregamento (drenado ou não drenado).
O método teórico para a determinação da tensão admissível mais adotado no mundo inteiro é a equação de Terzaghi (1943) definida pela Equação 4:
𝜎𝑟 = 𝐶. 𝑁𝐶+ 𝑞. 𝑁𝑞+1
2. 𝑦. 𝐵. 𝑁𝑦
(4)
Onde;
𝑐: é a coesão do solo;
𝛾: é o peso especifico do solo;
𝐵: é a menor dimensão da fundação.
Vesic (1975) apud Cintra, Aoki e Albiero (2003) sugerem aplicar os fatores de forma, conforme De Beer (1967, apud Vesic, 1975) que dependem da geometria da sapata e do ângulo de atrito interno do solo, de acordo com a Tabela 2.
Tabela 2: Fatores de forma De Beer (1967)
Fonte: De Beer (1967) apud Cintra, Aoki e Albiero (2003)
Com isso, segundo Cintra, Aoki e Albiero (2003), a partir dos conceitos analisados é possível agrupar os fatores de forma De Beer (Tabela 2) com os fatores da Equação 4, resultando na Equação 5:
𝜎𝑟= 𝑐. 𝑁𝐶. 𝑆𝐶+ 𝑞. 𝑁𝑞. 𝑆𝑞+
1
2. 𝐵. 𝑦. 𝑁𝑦. 𝑆𝑦
(5)
Para solos passíveis de ruptura por puncionamento, segundo Terzaghi (1943) apud Cintra, Aoki e Albiero (2003), deverá ser aplicada a mesma equação da ruptura geral com redução empiricamente dos parâmetros de resistência do solo (𝑐 e 𝜙), de acordo com as Equações 6 e 7: 𝑐′= 2 3𝑐 (6) 𝑡𝑔𝜙′ =2 3𝑡𝑔𝜙 (7)
No que se refere às Equações 6 e 7 citadas, 𝑐 é o fator de coesão do solo, 𝜙 é o ângulo de atrito interno, e 𝑐′ e 𝜙′ são os respectivos parâmetros corrigidos.
A Tabela 3, conforme Godoy (1972), correlaciona o NSPT para a determinação do peso
específico de solos argilosos e a consistência do solo. Já a Tabela 4, determina a coesão do solo conforme o índice 𝑁spt, sendo ambas as tabelas utilizadas no método teórico de Terzaghi com a Equação 5.
Tabela 3: Determinação do peso especifico de solos argilosos (Godoy, 1972)
Fonte: Godoy (1972) apud Cintra, Aoki e Albiero (2003) Tabela 4: Valores de coesão
_____________________________________________________________________________ O ângulo de atrito interno também pode ser determinado segundo a estimativa de Teixeira (1996), conforme a Equação 8 e pela Equação 9, de acordo com Godoy (1983) apud Cintra, Aoki e Albiero (2003).
𝜙 = √20. 𝑁 + 15° (8)
𝜃 = 28° + 0,4𝑁 (9)
2.7.2 Métodos semi-empíricos
Segundo o item 7.3.3 da NBR 6122 (ABNT, 2010), são métodos que correlacionam resultados de ensaios de campo (tais como SPT, CPT, etc.) com tensões admissíveis de projeto ou resistentes de projeto, observando-se os domínios de validade e as limitações regionais aos métodos adotados.
2.7.2.1 Método de Mello
Uma das equações para a determinação da tensão admissível pelo método semi-empírico é dada por Mello (1975, apud Ruver, 2005), utilizada para qualquer tipo de solo de acordo com a Equação 10:
𝜎𝑎 = 100. (√𝑁𝑆𝑃𝑇 − 1) (10)
Da Equação 10, 𝜎𝑎 é a tensão admissível em MPa; NSPT é o resultado do ensaio SPT
prevalecendo para a fórmula o valor mínimo de 4 e máximo de 16.
2.7.2.2 Método de Teixeira e Godoy
Este método semi-empírico desenvolvido por Teixeira e Godoy (1998), é representada pela Equação 11:
𝜎𝑎 = 0,02. 𝑁 (𝑒𝑚 𝑀𝑃𝑎) (11)
Sendo utilizada a Equação 11, apenas para solos em estado natural no intervalo de 5 ≤ N ≤ 20, onde N é o valor médio dentro do bulbo de tensões, correlacionado com as provas de cargas e a resistência à penetração.
A Figura 13, refere-se a um exemplo da determinação do Nmédio para o método semi-empírico proposto por HACHICH, et.al. 1998.
Figura 13: Obtenção de Nmédio para método semi-empírico
Fonte: HACHICH et al. (1998) 2.7.2.3 Método de Ruver e Consoli
Ruver e Consoli (2006) desenvolveram um método semi-empírico para a determinação da tensão admissível em fundações superficiais para areias e solos residuais, considerando o ensaio SPT para os cálculos através do limite superior, inferior e médio, definidos pelas Equações 12, 13 e 14, respectivamente: 𝜎𝑎 = 9,54. 𝑁𝑆𝑃𝑇,60+ 6,41. √𝑁𝑆𝑃𝑇,602 − 20,3. 𝑁 𝑆𝑃𝑇,60+ 167,3, 𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 (12) 𝜎𝑎 = 9,54. 𝑁𝑆𝑃𝑇,60− 6,41. √𝑁𝑆𝑃𝑇,602 − 20,3. 𝑁𝑆𝑃𝑇,60+ 167,3, 𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝐼𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 (13) 𝜎𝑎 = 9,54. 𝑁𝑆𝑃𝑇,60 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑚é𝑑𝑖𝑜 (14) Sendo: 𝜎𝑎 é a tensão admissível em (kN/m²);
NSPT,60 o valor do ensaio SPT considerando eficiência de transmissão de 60% da
energia de cravação, definida pela Equação 1.
2.8 Tensão admissível a partir do ensaio de placa
Cintra, Aoki e Albiero (2003), apresentam interpretações quando a curva tensão-recalque evidencia ou não a ruptura:
_____________________________________________________________________________ No primeiro caso, Cintra, Aoki e Albiero (2003) descrevem quando a curva tensão x recalque obtida na prova de carga em placa evidencia ruptura (comum em argilas sobreadensadas). Nesse caso, a tensão admissível é obtida mediante a aplicação de um fator de segurança igual a 2, referente ao valor de tensão de ruptura, de acordo com a Equação 15:
𝜎𝛼≤ 𝜎𝑟
2 (15)
Sendo:
𝜎𝛼 = Tensão admissível;
𝜎𝑟 = Tensão de ruptura.
Também, deve ser feito o critério de recalque, no caso de não ocorrer ruptura do solo, utilizando-se um fator de segurança de 1,5, ou então, determina-se a tensão correspondente ao recalque admissível definidos pelas Equações 16 e 17:
𝜎𝑎 ≤ 𝜎𝜌𝑚á𝑥 1,5 (16) ou 𝜌𝑎 ↔ 𝜎𝑎 (17) Sendo:
𝜎𝜌𝑚á𝑥= Tensão que provoca recalque máximo;
𝜎𝑎 = Tensão admissível correspondente
𝜌𝑎 = Recalque admissível.
Segundo o critério do código de obras da cidade de Boston EUA, utilizado no Brasil desde 1955, desenvolvido para a placa quadrada de 0,30 m de lado, quando a curva tensão-recalque aumenta continuamente de forma quase linear com os tensão-recalques, pode-se definir de acordo com a Equação 18 (CINTRA; AOKI; ALBIERO, 2003).
𝜎𝑎 ≤ { 𝜎10 𝜎25 2 (18) Onde:
𝜎10 = Tensão que provoca na placa um recalque de 10 mm;
𝜎25 = Tensão que provoca na placa um recalque de 25 mm.
Em resumo da Equação 18, inicialmente são considerados dois valores de recalque (10 mm e 25 mm), que correspondem às tensões (𝜎10 𝑒 𝜎25), sendo que a tensão admissível
considerada para cálculo é o menor dos valores entre as tensões (CINTRA; AOKI; ALBIERO, 2003).
Russi (2007) na sua dissertação, também menciona critérios da carga de ruptura a partir de provas de carga, citados na dissertação de Cudmani (1994) e separados em dois tipos de recalques: recalque relativo e absoluto.
Relativo:
10% do diâmetro (Inglaterra);
d/30 (Norma Brasileira);
5% do diâmetro (Companucci e Gómez, 1980). Absoluto:
25 mm (Código de Nova Iorque).
Segundo Alonso (2012), o gráfico da curva pressão x recalque pode ser representado entre dois casos extremos e distintos, sendo que os solos que apresentam ruptura geral são de característica de solos resistentes. A ruptura local, onde não há uma definição da tensão de ruptura bem definida, é característica de solos de baixa resistência, de acordo com o que se observa no gráfico da Figura 14 e conforme a Equação 19:
𝜎𝑎𝑑𝑚 ≤ { 𝜎𝑅 2 𝜎10 𝜎25 2 (19)
_____________________________________________________________________________ Figura 14: Curva tensão versus recalque
Fonte: Alonso (2012)
2.9 Recalques
Segundo Cintra, Aoki e Albiero (2003), define-se o recalque de uma sapata, como sendo o deslocamento vertical para baixo da base da sapata em relação ao indeformável. Esse deslocamento resulta na diminuição de volume ou na mudança de forma do solo.
Dessa forma, Cintra, Aoki e Albiero (2003), mencionam que se o subsolo fosse homogêneo e as fundações tivessem as mesmas dimensões de projeto, os recalques seriam também uniformes, porém o tipo de solo e a sua variabilidade geram recalques desiguais. Outro critério descrito pelos autores é das dimensões da fundação que também influenciam no tipo de recalque, sendo principalmente as argilas fonte adicional de recalque diferencial.
Segundo SIMONS e MENZIES (1981), uma fundação em um solo saturado apresentam três tipos de recalques, sendo:
a) Recalque imediato: ocorre geralmente após a aplicação da carga sem variar o volume do solo ou qualquer tipo de mudança em sua envoltória;
b) Recalque por adensamento primário: se desenvolve à medida que ocorrem mudanças no volume, em consequência da dissipação do excesso de pressão neutra na fundação;
c) Recalque secundário: ocorre em condições de excesso de pressão neutra (fenômeno de rastejo).
Em relação aos tipos de recalques, Cintra, Aoki e Albiero (2003), relaciona o tipo de recalque absoluto, expressos pela Equação 20.
O recalque absoluto ou total (Pt), pode ser decomposto em duas parcelas, conforme a Equação 20:
PtPc Pi (20)
Abaixo são descritas as siglas que compõem a Equação 20:
Pt = recalque total;
Pi = recalque imediato/inicial;
Pc= recalque por adensamento.
2.9.1 Recalques totais limites
Para estruturas usuais de concreto e aço, consideram-se aceitáveis os valores limites descritos na Tabela 5, tanto para recalques diferenciais como também para recalques totais limites (CINTRA; AOKI; ALBIERO, 2003).
Tabela 5: Recalque admissível para tipo de fundação e solo
Fonte: Burland et al. (1977) 2.9.2 Modelos para a previsão dos recalques
Segundo Velloso e Lopes (2011), existem três métodos de previsão de recalques: racionais, semi-empíricos e empíricos.
Os métodos racionais são obtidos em laboratório ou através do ensaio pressiométrico e de placa. O método semi-empírico é relacionado aos ensaios “in situ” de penetração (estática, CPT, dinâmica ou SPT). O método empírico utiliza tabelas de valores típicos de tensões admissíveis para diferentes solos.
2.9.2.1 Teoria da Elasticidade
Considerando-se uma sapata de largura ou diâmetro B, apoiada numa camada argilosa semi-infinita, homogênea, com módulo de deformabilidade (Es) constante com a profundidade,
_____________________________________________________________________________ se 𝜎 é a tensão média na superfície de contato da base da sapata com o topo da argila, o recalque imediato (𝜌𝑖), de acordo com Cintra; Aoki e Albiero (2003) é estimado conforme a Equação 21, definido por meio da Teoria da Elasticidade Linear.
𝜌𝑖 = 𝜎𝐵 (1 − 𝑣
2
𝐸𝑆 ) 𝐼𝜌
(21)
Conforme a Equação 21, 𝜎 é a tensão média na superfície de contato da base da fundação superficial com o topo da camada de argila; 𝑣 é o coeficiente de Poisson do solo definido pela Tabela 15 por Teixeira e Godoy (1996); 𝐸𝑠 é o módulo de elasticidade do solo, definido pela Equação 31 de Ruver (2005); 𝐵 é a menor dimensão da fundação; e 𝐼𝜌 é o fator de influência que depende da forma e da rigidez da fundação de Perloff e Baron (1976), obtido através da Tabela 6.
Tabela 6: Fator de influência fundação flexível
Fonte: Cintra, Aoki e Albiero (2003) 2.9.2.2 Método de Schultze e Sherif
Ruver (2005) dissertou que de acordo com Schultze e Sherif (1973), o método consiste em estimar os recalques de fundações diretas em solos arenosos com base numa equação linear, definida pela Equação 22.
𝑤 = 𝑞𝑆
𝑁0,87(1 +0,4 𝐷
𝐵 )
(22)
Com relação à Equação 22, 𝐷 é a profundidade de apoio da fundação, S é o coeficiente de recalque, sendo observada que a espessura da camada seja superior a duas vezes a largura
da fundação 2𝐵, caso contrário deve-se adotar um dos fatores da Tabela 7 multiplicado pelo coeficiente de recalques (S), da Figura 15.
Figura 15: Coeficiente de recalque (S)
Fonte: Ruver (2005) Tabela 7: Fatores de redução
Fonte: Ruver (2005) 2.9.2.3 Método de Ruver
Segundo Ruver (2005), o método é indicado para sapatas de solo típico residual, definido pela Equação 23. Tendo a Equação 23 três parâmetros, o resultado do ensaio SPT com a sua respectiva correção de energia (NSPT,60), o menor lado da fundação (B), e a tensão
aplicada na fundação (q).
𝜌 =0,308. 𝑞. 𝐵
𝑁𝑆𝑃𝑇,600,93 (𝐿𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑚é𝑑𝑖𝑜)
(23)
Onde 𝑞 é a tensão distribuída uniformemente sobre uma fundação ou placa (kN/m²); 𝐵 é a dimensão de uma fundação ou placa, se for quadrada é a medida do lado e se circular é o diâmetro (m); NSPT,60 é a média aritmética do número de golpes do ensaio SPT a uma
profundidade 2𝐵 abaixo da base da fundação e corrigida para um aproveitamento de energia 60%, definida pela Equação 01.
_____________________________________________________________________________ De acordo com Ruver (2005), empregou-se ao valor de recalque um intervalo de confiança para valores prováveis mínimos e máximos de recalque, sendo o valor provável máximo dado pela Equação 24, e o valor provável mínimo definido pela Equação 25:
𝜌 =0,505. 𝑞. 𝐵. 10 𝐻 𝑁𝑆𝑃𝑇,600,93 (𝐿𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟) (24) 𝜌 =0,188. 𝑞. 𝐵 𝑁 𝑆𝑃𝑇,60.10𝐻 0,93 (𝐿𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟) (25)
Onde, H é definido pela Equação 26:
𝐻 = √[𝑙𝑜𝑔 (𝑁𝑆𝑃𝑇,60)]2 − 2[𝑙𝑜𝑔(𝑁
𝑆𝑃𝑇,60)] + 1,11 (26)
2.9.2.4 Método de Burland & Burbidge
Ruver (2005) dissertou que de acordo com o modelo de Burland & Burbidge (1985, apud Schnaid 2012), estima-se o recalque assente em areias por meio de uma equação linear. Em areias é definida pela Equação 27, o índice de compressão (Ic) pode ser calculado pela Equação 28. Ainda, existem outros dois casos especiais de tipo de solos, cujos valores do ensaio SPT precisam ser corrigidos, definidos pela Equação 29, ideal para silte arenoso, e pela Equação 30 para seixos ou seixos mais areias. Sendo, 𝜌 o recalque em milímetros; B a menor largura da fundação em metros; 𝐼𝑐 o índice de compressão; NSPT o valor do ensaio a campo.
𝜌 = 𝐵0,7. 𝐼 𝑐. 𝑞 (27) 𝐼𝐶 = 1,71 𝑁𝑆𝑃𝑇1,4 (28) 𝑁𝑐𝑜𝑟𝑟= 15 + 0,5. (𝑁𝑆𝑃𝑇− 15) (29) 𝑁𝑐𝑜𝑟𝑟 = 1,25. 𝑁𝑆𝑃𝑇 (30)
2.10 Previsão dos recalques
Além da forma analítica, Cintra; Aoki e Albiero (2003), relatam que também é possível utilizar o método experimental para a previsão dos recalques imediatos, por meio de prova de
carga sobre placa, regido pela NBR 6489 (ABNT,1984), conforme a Figura 16 para as argilas e a Figura 17 para as areias.
Figura 16: Curva tensão versus recalque do ensaio de placa em argila
Fonte: Cintra, Aoki e Albiero (2003)
Figura 17: Curva tensão versus recalque do ensaio de placa em areia
