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2 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................ 4 2 ORIGEM E FORMAÇÃO DOS SOLOS ...................................................... 5 2.1 Conceito de superfície específica ......................................................... 8 2.2 Formação dos Solos ............................................................................. 9 2.3 Tipos de solo em função do mecanismo de formação ....................... 10 3 COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA ............................................................ 10 3.1 Solos Grossos .................................................................................... 10 3.2 Solos Finos ......................................................................................... 11 3.3 Caolinitas ............................................................................................ 12 3.4 Montmorilonitas .................................................................................. 12 3.5 Ilitas .................................................................................................... 13 4 ENSAIOS PARA CARACTERIZAÇÃO DOS SOLOS .............................. 14 4.1 Granulometria ..................................................................................... 14 4.2 Limites de Atterberg ........................................................................... 18 4.3 Definição de Índices Físicos ............................................................... 23 4.4 Definição do estado do solo ............................................................... 28 4.4.1 Areias ........................................................................................... 29 4.4.2 Argilas .......................................................................................... 30 5 Sondagem ................................................................................................ 33 5.1 Perfuração e ensaio de SPT .............................................................. 35 6 FATOR DE SEGURANÇA ........................................................................ 39 7 FUNDAÇÕES, CONCEITOS E NORMAS ................................................ 41 7.1 Investigação do subsolo ..................................................................... 43 3 7.2 Classificação das fundações superficiais ........................................... 44 7.2.1 Bloco ............................................................................................ 44 7.2.2 Sapata isolada .............................................................................. 45 7.2.3 Sapata corrida .............................................................................. 46 7.2.1 Sapata associada ......................................................................... 47 7.2.2 Sapata de Divisa .......................................................................... 48 7.2.3 Radier ........................................................................................... 49 7.3 Classificação das fundações profundas ............................................. 50 7.3.1 Tubulão ........................................................................................ 50 7.3.2 Estacas ......................................................................................... 51 8 ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO............................................................ 52 8.1 Retaludamento ................................................................................... 52 8.2 Drenagem ........................................................................................... 54 8.2.1 Drenagem superficial .................................................................... 55 8.2.2 Drenagem profunda (ou subterrânea) .......................................... 57 8.3 Muros ................................................................................................. 58 8.4 Cortinas .............................................................................................. 59 8.5 Solo grampeado ................................................................................. 60 8.6 Capim-Vetiver ..................................................................................... 61 9 REFERENCIAS ........................................................................................ 63 4 1 INTRODUÇÃO Prezado aluno! O Grupo Educacional FAVENI, esclarece que o material virtual é semelhante ao da sala de aula presencial. Em uma sala de aula, é raro – quase improvável - um aluno se levantar, interromper a exposição, dirigir-se ao professor e fazer uma pergunta , para que seja esclarecida uma dúvida sobre o tema tratado. O comum é que esse aluno faça a pergunta em voz alta para todos ouvirem e todos ouvirão a resposta. No espaço virtual, é a mesma coisa. Não hesite em perguntar, as perguntas poderão ser direcionadas ao protocolo de atendimento que serão respondidas em tempo hábil. Os cursos à distância exigem do aluno tempo e organização. No caso da nossa disciplina é preciso ter um horário destinado à leitura do texto base e à execução das avaliações propostas. A vantagem é que poderá reservar o dia da semana e a hora que lhe convier para isso. A organização é o quesito indispensável, porque há uma sequência a ser seguida e prazos definidos para as atividades. Bons estudos! 5 2 ORIGEM E FORMAÇÃO DOS SOLOS Não podemos falar de mecânica dos solos sem saber o que é um solo. Como aponta o professor Milton Vargas (1987), o conceito da palavra solo em português é diferente dependendo da área do conhecimento. O significado mais comum desta palavra é de “chão” ou “terra”. A Associação Brasileiras de Normas Técnicas, por meio da NBR 6502, define solo como: “Material proveniente da decomposição das rochas pela ação de agentes físicos ou químicos, podendo ou não ter matéria orgânica.” Em Agronomia, solo é a parte agriculturável da crosta terrestre, enquanto que em Geologia a porção desagregável que recobre a rocha é denominada de rególito ou regolito (do grego regos = cobertor). Em Geotecnia, solo é o material natural com origem conhecida, que forma a crosta terrestre, sendo de fácil desmonte, isto é, escavável com trator de lâmina e ferramentas manuais como a pá e a enxada. De acordo com Floriano (2016) em engenharia prática, solo é o que pode escavar com a escavadeira (escavação de 1° e 2° categorias). As vezes delimita-se em relação a resistência ou dimensão máxima da de blocos. Em geral, as classificações para estimar produtividade fazem uma divisão dicotômica: o que não é rocha é solo, atribuindo a escavação em rocha aquela que precisa de detonação ou expansão com perfuração prévia. Para a mecânica dos solos, o solo é uma massa composta por sólidos (estrutura), líquidos e gases (vazios) dispersos em um volume. Essa divisão em três fases facilita a caracterização mecânica do solo como um material e a partir daí consegue-se caracterizar e constituir padrões interpretativos. Para falarmos sobre o solo, precisamos saber a sua origem (matriz), que são as rochas. Vamos entender como são formados os solos para conseguirmos interpretar o comportamento do ponto de vista da mecânica dos solos. 6 2.1 Ciclo de formação das rochas As rochas podem ser classificas como ígneas, sedimentares e metamórficas. Rochas ígneas (resfriamento do magma líquido) e metamórficas (a depender do grau de metamorfismo), são formadas por cristais (minerais desenvolvidos) que constituem um conjunto de minerais. As rochas sedimentares (clásticas) formam-se a partir da consolidação de solos que foram transportadas e depois depositados. O processo de formação da rocha sedimentar ocorre em duas etapas, chamadas de sedimentogênesee diagênese. De fato, o sistema dinâmico do planeta terra constitui de um ciclo que podemos identificar: criação, modificação e meteorização dos materiais (Figura 1). Figura 1 - Ciclo de formação das rochas e dos solos no planeta. Fonte: bit.ly/3OQvdC3 Qualquer superfície rochosa está sujeita a ação do intemperismo, que nada mais é do que o processo geral pelo qual as rochas são destruídas na superfície da terra para formar os solos. O intemperismo, portanto, é uma ação física e/ou química responsável pela formação de todas as partículas (fragmentação) (PINTO, 2012). Quando você se refere a todas as partículas, está incluindo também as partículas dissolvidas (íons e coloides). 7 O processo de intemperismo é dividido em três grupos: intemperismo físico, químico e biológico. O intemperismo físico é o processo de decomposição da rocha sem a alteração química dos seus componentes. O intemperismo químico, é aquele onde existe uma alteração da estrutura química das rochas, transformando um elemento da rocha original em outro, como em uma reação química. No intemperismo biológico, a decomposição de rochas ocorre por meio de esforços mecânicos produzidos por vegetais através das raízes, por animais através de escavações de roedores, da atividade das minhocas ou pela ação humana ou de ambos (MACHADO; MACHADO, 1997). Deve-se notar que na natureza os processos tendem a ocorrer simultaneamente, de modo que um tipo de intemperismo auxilia o outro no processo de transformação da rocha em solo. O intemperismo físico reduz o tamanho das partículas, aumentando sua área superficial e facilitando o trabalho do intemperismo químico. Os processos químicos e biológicos podem causar a completa alteração física da rocha e modificar suas propriedades químicas. Assim, os solos podem incluir partículas da rocha-matriz alterada e sã, de argilominerais, de óxidos de ferro e de vários metais, bem como de outros produtos intemperizados. Os geólogos usam o termo solo para descrever camadas de material, inicialmente criadas pela fragmentação de rochas durante o intemperismo, que sofrem adição de novos materiais, perda de materiais originais e modificação por meio de mistura física e reações químicas. A matéria orgânica, chamada de húmus, é um componente importante da maioria dos solos da Terra e está presente com excesso na última camada em contato com a atmosfera; ela consiste no produto dos resíduos e dos restos de muitos organismos que vivem ali. Além disso, a maioria dos solos podem suportar o enraizamento das plantas. Porém, nem todos os solos oferecem suporte à biosfera (GROTZINGER, 2013). As partículas sólidas do solo são apenas um dos muitos produtos do intemperismo. Os processos que separam e desintegram as rochas produzem fragmentos que variam muito em tamanho e forma, desde grandes matacões de 5 m de diâmetro até pequenas partículas minúsculas que não podem ser vistas no microscópio. Partículas maiores do que um grão de areia muito grosso (2 mm de 8 diâmetro) tendem a ser fragmentos contendo grãos minerais da rocha matriz. As partículas de areia e silte são, em geral, grãos cristalinos individuais de qualquer dos vários minerais rochosos. É comum que solos mais antigos tenham como partículas sólidas mais importantes em sua matriz os argilominerais. Por fim, ainda existem elementos dispersos nos vazios como matérias coloidais e íons solúveis em água. (PINTO, 2012). 2.2 Conceito de superfície específica A permeabilidade de uma rocha define a intensidade e a forma de alteração de seus minerais constituintes. A maioria das rochas permite que a água passe pelos seus poros. O que ocorre com mais frequência é a infiltração percolada por fissuras e fraturas, contornado o maciço sólido de minerais retidos. Como o intemperismo químico é um fenômeno ligado a presença da água de infiltração, o ataque à rocha ocorre através do seu contato com esses fluidos. Portanto, conforme demonstra a Figura 2, quanto maior área da superfície de rocha exposta à água e a atmosfera, mais rápidas são as reações químicas que transformam a rocha em solo. (PINTO, 2012). Figura 2 - Quanto maior a fragmentação, maior a superfície específica e maior a velocidade de reações químicas. Fonte: bit.ly/3zN6tGK 9 Este conceito não difere para as estruturas complexas de minerais argilosos, pois essas são partículas extremamente pequenas, o que lhes confere uma intensa interação com a água quanto maior for a área de superfície exposta. 2.3 Formação dos Solos A origem imediata ou remota de um solo é sempre a decomposição das rochas pelo intemperismo. Entende-se por intemperismo o conjunto de processos que ocorrem na superfície da terra que provocam a decomposição dos minerais das rochas sob a ação de agentes atmosféricos e biológicos. De acordo com Murrieta (2018), os fatores que mais influenciam na formação dos solos são: o clima, o tipo de rocha, a vegetação, o relevo e o tempo de ação desses fatores. Entre estes, destaca-se o clima. A mesma rocha pode formar solos completamente diferentes se a decomposição ocorrer em climas diferentes. A tendência será formar solos com partículas finas (siltes e argilas) em regiões de clima quente e úmido – devido à decomposição da rocha ocorrer quimicamente, isto é, com a transformação química dos minerais – e solos com partículas mais grosseiras (areias e pedregulhos) devido à decomposição da rocha ocorrer fisicamente, isto é, por fragmentação provocada por agentes físicos. Os mecanismos de ataque às rochas, que resultarão na formação dos solos, podem ser incluídos em dois grupos: Desintegração mecânica: refere-se à intemperização das rochas por agentes físicos, tais como: variação periódica de temperatura – que provoca a expansão e contração das rochas e, por consequência, fraturas que aumentam com o tempo; congelamentoda água nas juntas e gretas – como a água dilata quando congela, este processo amplia as fraturas; Efeito de raízes – é visível em calçadas quando estas se quebram em função do crescimento das raízes. 10 Decomposição química: quando a água, em abundância, com a ocorrência de elevadas temperaturas, promove o ataque aos minerais que compõem as rochas, modificando sua constituição mineralógica. Tipos de solo em função do mecanismo de formação Em função do mecanismo de formação, costuma-se dividir os solos em três grandes grupos: I – residual - aquele que, após o intemperismo, permaneceu no local da rocha de origem; II – sedimentar - que sofreu a ação de um ou mais agentes transportadores; III – orgânico - quando se mistura ao solo de origem mineral matéria de origem orgânica. 3 COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA 3.1 Solos Grossos Os pedregulhos são formados, em sua grande maioria, por rochas resistentes como quartzitos, arenitos silicificados, granitos e gnaisses e por minerais também resistentes ao desgaste como o quartzo, o sílex e a calcedônia. As areias são principalmente compostas por quartzo e secundariamente por feldspatos e micas. No caso dos pedregulhos o comportamento mecânico e hidráulico está relacionado, principalmente, à compacidade e em menor grau à mineralogia. Nas areias a mineralogia pode ser de maior importância, por exemplo, os solos arenosos formados por micas são solos que apresentam grande dificuldade de compactação. (MURRIETA, 2018). 11 3.2 Solos Finos No caso dos solos finos, a fração silte é predominantemente composta por grãos de quartzo, caulinita e mica, enquanto a fração argilosa é constituída em sua grande maioria por minerais de argila, que se formam a partir da decomposição química dos minerais primários existentes na rocha matriz, principalmente feldspatos, piroxênios e anfibólios. Ainda estarão presentes na fração argila outros minerais decorrentes das reações químicas ocorridas noprocesso. A investigação dos minerais de argila é de grande importância em alguns solos, pois o comportamento mecânico dos mesmos é função, principalmente, de sua estrutura, a qual é fortemente influenciada pela constituição mineralógica. (MURRIETA, 2018). Os minerais de argila são constituídos por pequenos minerais cristalinos, cuja estrutura é composta por duas unidades cristalográficas fundamentais: uma com a configuração de um tetraedro, formada por um átomo de silício equidistante de quatro átomos de oxigênio, e outro representada por um octaedro, em que um átomo de alumínio, no centro, é envolvido por seis átomos de oxigênio, ou grupos de oxidrilas (Figura 3). Figura 3 - Unidades cristalográficas fundamentais. Fonte: bit.ly/3bodhkF https://bit.ly/3bodhkF 12 3.3 Caolinitas A caolinita é constituída por unidades de silício e alumínio unidas alternadamente, conforme mostra a Figura 4, conferindo-lhes uma estrutura rígida, possuindo espessura da ordem de 0,72 x 10-9 m. A ligação entre as unidades é suficientemente firme para não permitir a penetração de moléculas de água entre elas. Em consequência disto, as caolinitas são estáveis em presença da água (MURRIETA, 2018). Figura 4 - Mineral argílico do grupo das caolinitas. Fonte: bit.ly/3ztwGbU 3.4 Montmorilonitas Os minerais deste grupo montmorilonitas, são formados por uma unidade de alumínio entre duas de silício (Figura 5). Sua espessura é da ordem de 0,96 x 10-9 m. As ligações entre essas unidades, não sendo suficientemente firmes para impedir a entrada de moléculas de água, tornam as montmorilonitas muito expansivas, portanto, instáveis em presença de água. As bentonitas, nome genérico aplicado às argilas expansivas do grupo das montmorilonitas, são muito usadas em obras de engenharia como contenção das paredes de furos de sondagem e de estacas escavadas (MURRIETA, 2018). 13 Figura 5 - Mineral argílico do grupo das Montmorilonitas. Fonte: bit.ly/3zlvyqO 3.5 Ilitas As ilitas, estruturalmente análogas às montmorilonitas, são, porém, menos expansivas, devido principalmente às ligações de íons de potássio entre os minerais argílicos, como se vê na Figura 6. Figura 6 - Mineral argílico do grupo das ilitas. Fonte: bit.ly/3LwGhEE 14 4 ENSAIOS PARA CARACTERIZAÇÃO DOS SOLOS Caracterizar o material por meio de ensaios é um procedimento que principia o reconhecimento do solo, que permitirá enquadrá-lo em uma classificação e, assim, possibilitar a destinação quanto ao uso em obras de terra, contenção ou fundação de forma sistemática. Para fazer essa caracterização é fundamental realizar a execução um conjunto de ensaios como: determinação de curva granulométrica; limite de liquidez e; limite de plasticidade. Esses dois últimos são os índices de consistência de um solo ou também chamados de Limites de Atterberg (engenheiro idealizador do ensaio). 4.1 Granulometria A medida dos tamanhos dos grãos dos solos é chamada de granulometria e o resultado desta determinação é representado por uma curva granulométrica, construída por meio do peneiramento do solo seco. Para isso, é necessário coletar uma porção suficiente e representativa da massa do solo que você deseja determinar a textura. Para isto, os procedimentos pré-estabelecidos e normatizados pela ABNT e outras normas internacionais devem ser seguidos à risca (como a NBR 7181/1984). Constrói-se um gráfico semi log onde o eixo das ordenadas é representado pelo percentual passante em cada peneira e o eixo das abscissas está em escala logarítmica representando o tamanho da partícula; nesse caso, refere-se à abertura da malha da peneira. Existem pequenas variações quanto à determinação do tamanho de partículas dependendo da referência normativa, em especial as partículas finas (silte e argilas). No entanto, todas as classificações internacionais são muito similares à brasileira dada pela ABNT. Para a realização de um ensaio de granulometria, utiliza-se uma série de peneiras. Evidentemente, ao falar de peneiras, deve-se considerar as especificações adequadas para cada validação do produto. Assim, aplica-se a sabedoria de que as peneiras são malhas com aberturas padronizadas nas quais as partículas de solo maiores que a abertura daquela malha ficam retidas e as partículas menores passam 15 pela abertura da malha. Colocando as malhas em pilha, sequenciando-as da mais aberta para a mais fechada, assim poderá obter a massa percentual de partículas que fica retida em cada uma delas. As peneiras têm vários tamanhos (aberturas). Uma padronização de conjunto de peneira para definição de uma curva granulométrica encontrada em um laboratório de solo pode ser aquela mostrada na Tabela 1. Tabela 1 - Exemplo de uma série de peneiras com suas aberturas padronizadas. Fonte: Floriano,2016 Na Figura 7, a imagem de uma série e um esquema da definição de abertura. Figura 7-Exemplo de peneiras e abertura de peneiras para ensaio granulométrico. 16 Fonte: Floriano (2016) Uma vez peneiradas as partículas, para a complementação da curva granulométrica é preciso identificar o percentual em massa das partículas de tamanho ainda menores, o qual são as de tamanho silte e argila, ou seja, representam aquele material que passa na peneira de número 200. Para isso, é necessário realizar um procedimento chamado de sedimentação. Esse procedimento utiliza a lei de Stokes, e a velocidade de queda de partículas esféricas em um fluido atinge um valor limite que depende do peso específico do material da esfera ()𝛾𝑠 , do peso específico do fluido ()𝛾𝑤 , da viscosidade do fluido ( 𝜇 ), e do diâmetro da esfera (𝐷). A equação que governa lei de Stokes neste caso é dada por: A partir dessa equação, controlando a temperatura, mede-se inicialmente a densidade, por meio de um medidor (densímetro), imerso em um frasco de vidro com uma pequena quantidade de solo e água. A cada fração de tempo normatizada, você realiza uma medida de densidade a uma determinada posição de queda. Isso significa que a densidade do líquido com a presença do material sólido suspenso irá diminuir 17 lentamente. A velocidade com que ocorre essa variação é diretamente proporcional ao quadrado do diâmetro das partículas suspensas. Em verdade, as partículas caem gradualmente até atingir o fundo do frasco, pois apresentam praticamente o mesmo peso específico; o tamanho delas passa a ser decisivo na velocidade de queda, ou seja, as partículas de diâmetro maior chegarão mais rápido ao fundo do frasco. Dessa forma, é possível separar partículas de tamanho silte das de tamanho argila. Vale ressaltar, porém, que estamos falando de diâmetro equivalente, e sabemos que as partículas de argila podem ter dimensões bem diferentes (FLORIANO, 2016). A Figura 8 mostra a faixa granulométrica com os tamanhos padronizados de partícula para as principais referências normativas no mundo, incluindo a normatização brasileira. Figura 8 - Classificação mostrando a nomenclatura e os tamanhos das partículas. Fonte: bit.ly/3deVkFZ No Gráfico 1, é representada uma curva granulométrica plotada em gráfico semilogarítmico, nesse caso um solo residual maduro de rocha sedimentar. Nota-se a potencialidade que existe na definição da curva granulométrica, pois apenas 18 observando ela, é possível identificar o quanto fino ou grosso é a estrutura sólida deste solo. Gráfico 1 - Exemplo de uma curva granulométrica de um solo residual maduro. Fonte:(Floriano,2016) 4.2 Limites de Atterberg Os limites de Atterberg identificam a consistência dos solos; por isso, também são chamados de índices de consistência. São realizados ensaios em laboratório que se demonstram bem expelidos. Limite de liquidez (LL ou 𝑾𝑳): Condição do solo onde o percentual de água causa nele um comportamentode um líquido, ou seja, a partir do percentual de água marcado como limite de liquidez, o solo tem comportamento fluido. É possível determinar o limite de liquidez de um solo através da concha de Casagrande ou através do penetrômetro de cone. O mais utilizado é o de Casagrande, em que tanto o equipamento quanto o procedimento são normalizados pela ABNT/NBR 6459 de 2016. 19 Coloca-se na concha do aparelho de Casagrande uma pasta de solo passante na peneira #40 e com umidade próxima de seu limite de plasticidade. Faz-se um sulco na pasta com um cinzel padronizado. Aplicam-se golpes à massa de solo posta na concha do aparelho de Casagrande, girando-se uma manivela, a uma velocidade padrão de 2 golpes por segundo, como segue na Figura 9. Figura 9 - Sequência para determinação do limite de liquidez. Fonte: bit.ly/3Sy96n0 Com uma amostra de solo determina-se o teor de umidade, obtendo-se assim valores, “teor de umidade, ×número de golpes”, determinando um ponto no gráfico de fluência. A repetição desse procedimento permitirá́ a elaboração do gráfico para teores de umidade. Convencionou-se que, no ensaio de Casagrande, o teor de umidade correspondente a 25 golpes, necessários para fechar a ranhura, é o limite de liquidez. Abaixo a tabela 2, demonstra os valores obtidos através do ensaio. 20 Tabela 2 - Resultado do Ensaio de Casagrande. Fonte: bit.ly/3zF7wY2 Com base nos valores encontrados da tabela acima, traçou-se o gráfico 2: Gráfico 2 - Teor de umidade x n.º de golpes. Fonte: bit.ly/3zF7wY2 Através do Ensaio de Casagrande, o limite de liquidez é dado pelo teor de umidade correspondente a 25 golpes, logo, temos: LL = 29%. 21 Limite de plasticidade (LP ou 𝑾𝑷 ): Nesse caso, o solo passa a ter comportamento plástico, fundação superficial. Notam-se essas condições, nas estradas em frequentes dias de chuva, onde fica deslizante e o veículo fica muito sujo de lama líquida (ultrapassou o LL). Passando a chuva, surgindo um pouco de sol, a superfície argilosa começa a perder água por evaporação, o solo da estrada começa a ficar pastoso e deformável (chegou-se ao LP); nesse caso, você percebe pouca sujeira impregnada no veículo. Agora, se o sol e o tempo bom persistirem, a superfície da estrada de solo perde tanta água que fica dura, mas quebradiça. A determinação do ensaio de limite de plasticidade é especificada pela NBR 7180 de 2016. Prepara-se uma pasta com o solo que passa na peneira #40, fazendo- a rolar com a palma da mão sobre uma placa de vidro esmerilhado, formando um pequeno cilindro. Quando o cilindro de solo atingir o diâmetro de 3 mm e apresentar fissuras, mede-se a umidade do solo. Esta operação é repetida pelo menos 5 vezes. Os valores obtidos de umidade serão considerados satisfatórios quando, de pelo menos três, nenhum deles diferir da respectiva média de mais de 5%. Na figura 10, a representação de como é realizado o ensaio. Figura 10 - Sequência para determinação do limite de Plasticidade. Fonte: bit.ly/3Sy96n0 22 A diferença entre eles dá o chamado Índice de Plasticidade (IP) que corresponde à extensão do intervalo de umidades no qual o solo apresenta um comportamento plástico. Segue a equação: Fonte: bit.ly/3JBXAD2 Ou 𝑰𝑷 = 𝐿𝐿 − 𝐿𝑃 Em que: 𝑊𝐿 ou 𝐿𝐿 = Limite de Liquidez. 𝑊𝑃 ou 𝐿𝑃 = Limite de Plasticidade. Esse índice determina o caráter de plasticidade de um solo. Quanto maior o “IP”, tanto mais plástico será́ o solo. A classificação do índice de plasticidade é representado na tabela 3: Tabela 3 - Índice de plasticidade Fonte: bit.ly/3zF7wY2 23 Após realizar a caracterização de um solo, pode-se correlacionar esses índices e também determinar algumas propriedades importantes para identificar a qualidade do material. Esses valores não devem ser tomados à risca para parametrização em projeto, mas sim considerados estimativas que ajudam o projetista na análise paramétrica. 4.3 Definição de Índices Físicos Índices físicos são valores que representam as condições físicas de um solo no estado em que ele se encontra. São de fácil determinação em laboratórios de geotecnia e podem servir como dados valiosos para identificação e previsão do comportamento mecânico do solo. Como as diversas propriedades do solo dependem do estado em que este se encontra, um solo pode perder suas características mecânicas inicialmente, como sofrer compactação ou mesmo sofrer evaporação constante, a ponto de perder quase a totalidade da água. Quaisquer dessas situações representam mudança de estado e estão associadas a mudanças dos índices físicos (FLORIANO, 2016). Admita-se a abstração apresentada na Figura 11 em que as três fases, a sólida, a líquida e a gasosa são apresentadas separadas. Figura 11 - Fases do solo, sólida, líquida e gasosa. Fonte: bit.ly/3Q2f9yF 24 Para identificar o estado do solo, foram definidos índices que correlacionam os pesos e os volumes das 3 fases. Sendo: Relação entre pesos: A umidade é fornecida como uma porcentagem. Seu valor depende do tipo de solo, mas geralmente fica entre 10% e 40%. Relações entre volumes: Índice de vazios: O índice vazio é um número sem dimensão. Porosidade: esta é dada em porcentagem. Grau de saturação: dado em porcentagem, varia de zero a 100%. 25 Relações entre pesos e volumes: Peso específico dos sólidos: este varia de um pouco de solo para solo. Peso específico natural: possuem valores variáveis. Peso específico aparente seco: são situados entre determinados valores Peso específico aparente saturado: quando o solo está saturado, chamamos de peso específico aparente saturado. Peso específico da água: este varia um pouco com a temperatura da água. Estes indicadores físicos são determinados por meio de testes em laboratório: 𝑤, e 𝑠. Para os demais índices são calculados através das relações que podem ser determinadas entre eles (MECÂNICA, 2014). No sistema internacional de unidades (SI), você trabalha com pesos específicos na unidade kN/m³. Pode-se citar ainda o conceito de massa específica, sendo a relação entre quantidade de massa e volume e expressa como: kg/m³ ou com os seus múltiplos e submúltiplos. 26 Exemplo: Considere uma amostra de solo seco com índice de vazios 𝑒 = 0,6e peso específico dos grãos 𝛾𝑠 = 24𝑘𝑁/𝑚 3 . Determine: a. Seu peso específico natural; b. Considerando que tal solo foi umedecido até chegar a um grau de saturação S=70% sem modificar o índice de vazios, qual seria seu novo teor de umidade e seu novo peso específico natural? Resolução: Então, como você pode perceber, na resolução dessa questão iremos utilizar os conceitos de: Umidade do solo (𝑤); Peso específico natural (𝛾𝑛) e dos grãos (𝛾𝑠); Índice de vazios (𝑒); Grau de saturação (𝑆). Resolução, item a. Para isso, lembremos do conceito de índice de vazios: Logo, relembrando do sistema trifásico do solo, temos que: 27 Representação do solo trifásico Então, adotando que o volume de sólidos da amostra é de 1 m³, temos que: 𝑉𝑣 = 0,6m3, logo, 𝑉𝑇 = 1,6𝑚3 Entretanto, o enunciado da questão afirma que se trata de um solo seco. Então, como não possui água no solo, o peso total do solo é igual ao peso dos grãos. 𝛾𝑠 = 𝑀𝑠 𝑉𝑠 ⇒ 24 = 𝑀𝑠 1𝑚3 = 𝑀𝒔 = 24𝑘𝑁 Por fim, podemos afirmar que o peso específico natural do solo é: 𝛾𝑛 = 𝑀𝑇 𝑉𝑇 ⇒ 𝛾𝑛 = 24𝑘𝑁 1,6𝑚3 = 𝛾𝑛 = 15𝑘𝑁/𝑚 3 Resolução, item b. No item b. a situação já é um pouco diferente, pois o solo não é mais seco! Então, precisamos nos lembrar dos conceitos de grau de saturação (𝑆) e de umidade do solo (𝑊). 28 𝑆 = 𝑉𝑤 𝑉𝑣 ⇒ 𝑉𝑤 = 0,7 𝑥𝑉𝑣 Sabemos também que o índice de vazios continua sendo e=0,6 e que tanto o volume dos grãos, como o peso dos grãos não sofre modificação durante esse processo de umidificação do solo. 𝑒 = 𝑉𝑣 𝑉𝑠 ⇒ 𝑉𝑣 = 0,6𝑚3 𝑉𝑤 = 0,7 𝑥 𝑉𝑣 ⇒ 𝑉𝑤 = 0,7 𝑥 0,6 = 0,42𝑚3 Logo, sabendo que o peso específico da água é 𝛾𝑤 =10kN/𝑚3, temos que o peso de água para o solo, nessa consideração, é de 4,2 kN. Considerando o volume total da amostra de 1,6 m³, encontrado anteriormente, então temos: 𝛾𝑛 = 𝑀𝑇 𝑉𝑇 ⇒ 𝛾𝑛 = 24 + 4,2 1,6 = 𝛾𝑛 = 17,63𝑘𝑁/𝑚 3 Perceba que o peso específico aparente do solo aumenta, pois foi adicionada água no mesmo. Para o teor de umidade do solo (𝑊): 𝑤 = 𝑀𝑤 𝑀𝑠 ⇒ 𝑤 = 4,2 24 ⇒ 𝑤 = 17,5% 4.4 Definição do estado do solo Quando falamos de estado dos solos, na geotecnia é comum fazer a divisão quanto ao comportamento. Portanto, existe o comportamento das areias e o comportamento das argilas. Para as areias, chamamos o seu estado de compacidade; para as argilas, de consistência. 29 4.4.1 Areias Observando os materiais de comportamento arenoso, nota-se que a definição de estado do solo é uma comparação entre índices de vazios. Para cada tipo de areia, forma dos grãos e granulometria, obtém-se uma condição de estado. Em geral, existem dois limites. O estado dito “fofo” corresponde a uma distribuição de grão da forma mais solta possível no volume da areia; o estado dito “compacto” corresponde a uma condição de melhor encaixe entre as partículas inertes da areia. Portanto, você consegue definir a chamada compacidade relativa (CR). Isso é definido pela seguinte expressão: Onde, ℯ𝑚𝑎𝑥 = é o índice de vazios máximos para a referida areia (areia vibrada); ℯ𝑛𝑎𝑡 = é o índice de vazios da areia na sua condição natural; ℯ𝑚𝑖𝑛 =é o índice de vazios mínimo (areia solta); Segundo Terzaghi (1967), para areias finas puras considera-se: Areias fofas: CR < 0,33 Areias de compacidade média: 0,33 Areias compactas: CR > 0,66 30 4.4.2 Argilas Em materiais de comportamento argiloso, fala-se sobre consistência das argilas. O índice de plasticidade é um parâmetro fundamental na classificação dos solos. Os teores de umidade que definem fronteiras entre esses estados são chamados: Limite de Liquidez (LL), Limite de Plasticidade (LP). O 𝐼𝑃é tido como a diferença entre o limite de líquido (LL) e o limite de plástico (LP). Assim, obtemos: 𝐼𝑃 = 𝐿𝐿 − 𝐿𝑃 Cada um desses valores é determinado por meio de um ensaio específico, com a finalidade de promover uma correta caracterização de solo quanto ao atributo “plasticidade”. Terzaghi (1967) propôs a seguinte relação para definição de índice de consistência: Onde, 𝑊𝐿 = é o limite de liquidez; w = umidade medida da argila; 𝑊𝑝 = limite de plasticidade. A consistência no comportamento das argilas não significa uma relação direta com a umidade da argila, mas sim do ponto de vista de sua consistência. As argilas podem apresentar limites bem distintos, mas quando atinge um estado como, por exemplo, o limite de liquidez, apresentam consistências muito semelhantes. Uma 31 classificação possível para consistência das argilas segundo o índice de consistência seria: argila mole: IC < 0,5 argila média: 0,5 argila rija: 0,75 argila dura: IC > 1,0 Mais plausível é a consistência relacionada a resistência à compressão simples (RCS) da argila (em kPa), ou seja, o quanto um cilindro de argila (corpo de prova) suporta uma carga de compressão não confinada, resultado obtido em laboratório. argila muito mole: RCS < 25 kPa argila mole: 25 argila média: 50 argila rija: 100 argila muito rija: 200 dura: RCS > 400kPa Algumas argilas apresentam um comportamento sensível. Para notar essa característica de sensibilidade (S) nas argilas, verifica-se sua resistência máxima (qual) na condição natural e posteriormente em uma condição remoldada, ou seja, em que foi mexida a sua estrutura original (ver Gráfico 3). Assim, você obtém: Esse fenômeno é melhor compreendido quando notamos as estruturas do tamanho das argilas. São partículas de argilominerais na maioria que constituem de filossilicatos que apresenta um arranjo, que quando é destruído (amolgado) as partículas se desestruturam e perdem as ligações originais de sustentação. 32 Gráfico 3 - Representação da resistência natural (de pico) e a resistência amolgada (argila mexida) de uma argila. Fonte: bit.ly/3JLsUQ4 Exemplo: Considerando os valores da tabela abaixo, qual o índice de consistência das argilas a 5 m e 8 m de profundidade? Amostra 1: 𝑰𝑷 = 𝐿𝐿 − 𝐿𝑃 ⇒ 𝐼𝑃 = 36.2 − 18.4 = 17,8% 𝑰𝑪 = 𝐿𝐿 − 𝑊𝑛𝑎𝑡 𝐿𝐿 − 𝐿𝑃 ⇒ 𝐼𝐶 = 36.2 − 23.4 36.2 − 18.4 = 0.72 Amostra 2: 𝑰𝑷 = 𝐿𝐿 − 𝐿𝑃 ⇒ 𝐼𝑃 = 113.1 − 35.6 = 77.5% 𝑰𝑪 = 𝐿𝐿 − 𝑊𝑛𝑎𝑡 𝐿𝐿 − 𝐿𝑃 ⇒ 𝐼𝐶 = 113.1 − 84.7 113,1 − 35,6 = 0,37 Amostra 3: 𝑰𝑷 = 𝐿𝐿 − 𝐿𝑃 ⇒ 𝐼𝑃 = 62.9 − 34.1 = 28.8% 𝑰𝑪 = 𝐿𝐿 − 𝑊𝑛𝑎𝑡 𝐿𝐿 − 𝐿𝑃 ⇒ 𝐼𝐶 = 62.9 − 42.1 62.9 − 34.1 = 0,72 33 Amostra 4: 𝑰𝑷 = 𝐿𝐿 − 𝐿𝑃 ⇒ 𝐼𝑃 = 54 − 39.2 = 14.8% 𝑰𝑪 = 𝐿𝐿 − 𝑊𝑛𝑎𝑡 𝐿𝐿 − 𝐿𝑃 ⇒ 𝐼𝐶 = 54 − 41.2 54 − 39.2 = 0,86 5 SONDAGEM Segundo Santos et al. (2013) a sondagem, como o nome já diz, é uma pesquisa que fazemos para determinar o tipo do solo. Com os dados dos resultados desenvolvemos os projetos das obras que só então deverão ser construídas. Os tipos de sondagem mais utilizados são: Sondagem a pá e picareta: são abertas trincheiras no solo onde se coleta material para análise. As amostras são deformadas. Sondagem a trado: podem ser manuais ou mecânicas, onde são abertos furos no solo com os vários tipos de trado: cavadeira, concha, helicoidal. As amostras são deformadas. Sondagem à percussão: são furos executados com equipamentos que penetram por golpes no terreno. Podem recolher amostras deformadas (SPT) e amostras indeformadas (CPT). Sondagem rotativa: são furos executados na maioria das vezes em terrenos rochosos. As amostras são indeformadas. Sondagem mista: são utilizados mais de um tipo de sondagem, por exemplo, SPT e rotativa, para atravessar a fase de solo de um furo, seguida da fase em rocha no mesmo furo. A sondagem mais simples é o trado, existem manuais e mecânicos. A investigação é rápida e econômica. O equipamento é composto por hastes de aço, uma cruzeta para aplicar o torque e o trado propriamente dito, que pode ser de vários formatos (Figura12). Esta sondagem está limitada a presença de pedregulhos, pedras, matacões, nível de água e areias muito compactas. 34 Figura 12 - Trados manuais. Fonte: bit.ly/3BO9esI O Standard Penetration Test – SPT é uma sondagem a percussão. Este ensaio tem baixo custo, pode ser realizado em locais de difícil acesso, pode-se coletar amostras, é determinado um índice que permite estimar a resistência e também é determinado o nível de d’água. O equipamento é simples conforme ilustra a Figura 13, composto de tripé com sarrilho, roldana, cabo, hastes, trado, trépano, martelo (65kg), amostrador padrão e bomba d’água. Figura 13 - Vista geral do Ensaio de SPT. Fonte: (Gonçalves, 2014) 35 5.1 Perfuração e ensaio de SPT O SPT possui duas etapas básicas, a perfuração e o ensaio propriamente dito. Após a limpeza do terreno e locação do furo, realiza-se com trado, a perfuração da sondagem. Quando o avanço for impenetrável ao trado ou se atingir o nível d’água, a sondagem, é continuada por percussão. Crava-se o revestimento para evitar fechamento do furo. O solo é escavado pela percussão (queda e torção sucessiva) do trépano e os detritos formados são retirados por circulação de água, conforme mostradona Figura 14. A sondagem termina ao atingir a profundidade desejada ou quando a condição for impenetrável a percussão. O registro do nível d’água deve ser feito no dia seguinte ao ensaio para evitar a influência da circulação de água (Gonçalves et al., 2014). Figura 14 - Perfuração com circulação de água. Fonte: Gonçalves, 2014 O ensaio é executado a cada metro e a partir de 1m de profundidade e consiste em cravar o amostrador padrão por golpes do martelo (65kg) caindo de 75cm. Está apresentado na Figura 15a ilustrando o ensaio de SPT. A Figura 15b mostra o amostrador. (GONÇALVES et al., 2014). 36 O amostrador é cravado a 45 cm no solo, sendo anotado o número de golpes para cravar cada 15 cm. O índice de resistência a penetração (NSPT) é o número de golpes para cravar os últimos 30 cm do amostrador. Figura 15 – (a) Execução de ensaio de SPT (b) Amostrador. Fonte: Gonçalves (2014). Neste caso, encosta-se o martelo na composição das hastes e anota-se até que profundidade a haste e o martelo penetram somente com o peso estático do conjunto. As amostras são coletadas a cada metro e caracterizadas. Na tabela 4, verifica-se o resultado de uma sondagem SPT. Tabela 4 - Exemplo de resultado de sondagem SPT. Fonte: Gonçalves, 2014 37 O projetista é quem define o número e a locação de furos da sondagem. A norma NBR 8036/83 estabelece um número mínimo de sondagem para fundações de edifícios, conforme mostrado na Tabela 5. Tabela 5 - Número mínimo de sondagens. Fonte: Gonçalves, 2014. A distância entre as sondagens não deve ultrapassar 30m e os furos devem cobrir toda a área, como mostra o exemplo da Figura 16. Figura 16 - Locação de sondagens. Fonte: Gonçalves, 2014 38 O NSPT é muito utilizado em projetos de fundações, tais como escolha do tipo de fundações e estimativa da tensão admissível do solo. O NSPT também é usado em correlações para obtenção das propriedades do solo. A norma NBR7250/82 apresenta tabelas que correlacionam a compacidade das areias e a consistência das argilas com os valores de NSPT, conforme apresentado nas tabelas 6 e Tabela 7. Tabela 6 - Compacidade. Fonte: Gonçalves, 2014 Tabela 7 - Consistência. Fonte: (Gonçalves, 2014) 39 6 FATOR DE SEGURANÇA O fator de segurança (FS) é obtido como resultado da relação entre a resistência e a tensão cisalhante (GERSCOVICH, 2012), representada pela seguinte equação: Sendo: FS = o fator de segurança, adimensional; τr = a tensão de cisalhamento do solo, em MPa; τd = a resistência ao cisalhamento ao longo da superfície de ruptura, em MPa. Segundo Caputo (2015), o engenheiro Karl von Terzaghi, em 1925, verificou que somente as pressões efetivas (a diferença entre a pressão total e a pressão neutra) impulsionam a tensão ao cisalhamento do solo, representada na seguinte equação: Sendo: u = poro pressão ou pressão neutra, em MPa; cʹ = coesão efetiva, em MPa; φʹ = ângulo de atrito interno efetivo, em radiano. Obtendo-se o resultado do FS, pode-se identificar a presença ou não de instabilidade no talude. Por definição, valores de FS iguais a 1 identificam a ocorrência de ruptura, valores maiores do que 1 indicam um talude estável, e resultados menores do que 1 não possuem significado efetivo (GERSCOVICH, 2012). A NBR 11682 (ABNT, 2009) indica que, dependendo dos riscos, deve-se classificar o projeto conforme os critérios evidenciados no Quadro 2. 40 Quadro 1 - Nível de Segurança envolvendo vidas humanas. Fonte: Adaptado de ABNT (2009). Já o Quadro 3 apresenta a classificação do projeto em relação a danos ambientais materiais. Quadro 2 - Nível de Segurança esperado envolvendo danos materiais e ambientais. Fonte: Adaptado de ABNT (2009) 41 A partir dos Quadros 2 e 3, é possível analisar o Quadro 4, que apresenta os fatores de segurança mínimos para movimentação de massa. Quadro 3 - Fatores de segurança mínimos para movimentação de massa do solo. Fonte: Adaptado de ABNT (2009). 7 FUNDAÇÕES, CONCEITOS E NORMAS As fundações em construção civil são estruturas realizadas em obras com a finalidade de transmitir as cargas da edificação para uma camada resistente do solo. Para tanto, as fundações são regulamentadas pela Norma Brasileira - NBR 6122 (ABNT, 2019), que estabelece os critérios gerais que regem o projeto e a execução de fundações de todas as estruturas convencionais da engenharia civil, compreendendo obras residenciais, edifícios de uso geral, pontes, viadutos, entre outras. Ainda segundo a NBR 6122, as fundações necessitam ter resistência apropriada para suportar às tensões causadas pelos esforços solicitantes, que podem ser decorrentes da superestrutura, do terreno e da água superficial e subterrânea, além de ações variáveis especiais, como o tráfego de veículo e carregamentos de construção, caso existam. Paralelamente, o solo deve ter resistência e rigidez 42 adequada para não sofrer colapso, bem como não apresentar deformações excessivas ou diferenciais (BARBOSA, 2021). A NBR 6.122 (ABNT, 2019), genericamente, divide as fundações em dois grandes grupos: fundações rasas e profundas. As fundações rasas, também denominadas de diretas e superficiais, são elementos cuja base deve estar assentada em profundidade inferior a duas vezes a menor dimensão da fundação, recebendo aí as tensões distribuídas que equilibram a carga aplicada. Já as fundações profundas, transmitem a carga da edificação para o solo pela base (resistência de ponta) ou por sua superfície lateral (resistência de fuste) ou por uma combinação das duas, tal que a ponta ou base da fundação deve estar apoiada em uma profundidade de no mínimo 3,0 m ou superior a oito vezes a menor dimensão da fundação profunda. Para o correto dimensionamento, elaboração de projeto e execução de fundações, é indispensável conhecer as normas complementares que visam auxiliar e integralizar a NBR 6.122 (ABNT, 2019), uma vez que são apontados os procedimentos e critérios relativos à investigação do subsolo e parâmetros geológicos (por exemplo, tipo de solo e posição do nível da água) e geotécnicos (resistência, compressibilidade e permeabilidade). O quadro 5, especifica as outras normas complementares para execução das fundações. 43 Quadro 5 - Principais normas complementares das fundações Fonte: bit.ly/3eOMeQX 7.1 Investigação do subsolo Os projetos de fundações são imprescindivelmente elaborados e executados com base em ensaios de campo, cujos resultados encontrados permitem estimar de forma segura a estratigrafia do subsolo e as propriedades geológicas e geotécnica dos materiais envolvidos. 44 Velloso e Lopes (2010) orientam que a investigação geológica e geotécnica seja feita em três etapas: preliminar, complementar e executiva. Primeiramente, deve- se realizar uma investigação preliminar, que consiste em um reconhecimento inicial ao local onde será implantado a edificação. Posteriormente, é preciso ser feita a investigação complementar ou de projeto, no qual é realizada, no mínimo, a sondagem a percussão para determinar a estratigrafia e classificação dos solos, bem como a posição do nível d’água e a medida. 7.2 Classificação das fundações superficiais As fundações superficiais, também denominadas de fundações rasas, transmitem o carregamento para o subsolo por meio de suas bases e, para tanto, devem ser assentadas em cotas inferiores à duas vezes a menor dimensão da fundação, tal que não ultrapasse a profundidade de 3,0 metros. Segundo Velloso e Lopes (2010), em função das necessidades técnicas e econômicas, as fundações rasas podem ser projetadas de diferentes formas, e podem ser classificadas em diferentes tipos conforme segue. 7.2.1 Bloco Trata-se do elemento de fundação mais simplese, geralmente, construído de concreto ciclópico, pode ser construído de alvenaria ou pedras, conforme ilustra a Figura 16. Nesse tipo de estrutura, a altura da fundação é grande em relação à base, quando comparado aos outros tipos de fundações. 45 Figura 16 - Fundação rasa do tipo bloco construída de (a) concreto ciclópico, (b) bloco de alvenaria e (c) pedras. Fonte: bit.ly/3dfInvW Os blocos são estruturas de fundação que não necessitam de armadura, uma vez que são dimensionados de modo que a estrutura resista aos esforços de tração, ocasionando uma grande altura ao elemento. Recomenda-se que seja utilizado bloco para suportar carregamento de até 30 tf, sendo desejável que o solo tenha uma resistência mínima de 2,0 kgf/cm². 7.2.2 Sapata isolada Este tipo de sapata deve ser construído em concreto armado e dimensionada de maneira que as tensões de tração solicitadas na estrutura devem ser resistidas, utilizando-se armaduras. Ao combater esses esforços de tração que surgem na sapata com armadura, é possível reduzir a altura do elemento estrutural. Em comparação com bloco, as sapatas isoladas possuem uma altura relativamente menor e, em função disso, são consideradas estruturas econômicas e, consequentemente, representam o tipo de sapata mais utilizada no Brasil, conforme ilustrado na Figura 17. 46 Figura 17 - Fundação rasa do tipo sapata isolada construída de concreto armado com geometria (a) retangular e (b) piramidal Fonte: bit.ly/3Bdxz9w Na prática, a sapata com geometria piramidal é obtida a partir da sapata de geometria retangular ao ser realizado um chanfro na sapata no intuito de economizar concreto e reduzir o peso próprio da fundação (BARBOSA, 2021). 7.2.3 Sapata corrida De acordo com a NBR 6122 (ABNT, 2019) a sapata corrida é utilizada quando existe uma carga linearmente distribuída ou está sujeita à ação de três, ou mais pilares ao longo de um mesmo alinhamento, conforme ilustra a Figura 18. Na prática, este tipo de sapata é utilizado para dar suporte a alvenarias estruturais e indicadas também para solos com elevada rigidez, isto é, tensão admissível do solo maior que 4,0 kgf/cm². 47 Figura 18 - Fundação rasa do tipo sapata corrida com carregamento (a) distribuído e (b) concentrado Fonte: bit.ly/3BD9Tg0 7.2.1 Sapata associada Sapata dimensionada para atender a dois pilares ou mais, desde que não estejam no mesmo alinhamento, conforme ilustra a Figura 19. A sapata associada é utilizada ao ter carregamento da estrutura elevada em relação à resistência admissível do solo. Em função disso, geralmente, recomenda-se utilizar viga de rigidez para melhor distribuir o carregamento. (BARBOSA, 2021). Figura 19 - Fundação rasa do tipo sapata associada com viga de rigidez Fonte: bit.ly/3RFE3Vr 48 A sapata associada é, principalmente, utilizada quando ocorre a sobreposição das projeções das sapatas concebidas individualmente. Recomenda-se, ainda, utilizar este tipo de sapata quando se tem pilares suficientemente próximos, como, por exemplo, em pilares duplos em uma junta de dilatação. 7.2.2 Sapata de Divisa É utilizada se, devido à imposição arquitetônica do projeto, necessita construir uma fundação que está próxima ou no limite da divisa do terreno. As sapatas de divisa podem ser divididas em dois grupos: excêntrica ou com viga de equilíbrio, conforme ilustra a Figura 20. A viga de equilíbrio, também denominada de viga alavanca, tem a função de receber as cargas de um ou dois pilares para transmitir de forma centrada às fundações. A sapata de divisa excêntrica, é a solução mais imediata para fundações de divisa, todavia, essa solução pode gerar grande excentricidade na estrutura, principalmente, se o carregamento for muito elevado. No intuito de resistir ao momento fletor gerado pela excentricidade, recomenda-se utilizar a viga de equilíbrio que vai tanto resistir ao esforço de momento fletor quanto distribuir o carregamento entres as fundações unidas pela viga. (BARBOSA, 2021). Figura 20 - Fundação rasa do tipo sapata de divisa do tipo (a) excêntrica e (b) com viga de equilíbrio em planta e em corte Fonte: bit.ly/3qALjWP 49 7.2.3 Radier Trata-se de um elemento estrutural do tipo placa contínua, que apresenta rigidez adequada tanto para receber quanto para distribuir mais do que 70% das cargas da estrutura, conforme ilustra a Figura 21. Para tanto, parte ou todas as alvenarias e os pilares transmitem o carregamento da edificação por meio de contato direto com o radier. Figura 21 - Fundação rasa do tipo radier pode receber carregamento de parte ou todas as alvenarias e/ou pilares - Fonte: bit.ly/3xkDad6 O radier é uma solução técnica que distribui o carregamento para o solo de forma uniforme distribuída, recomendado para edificações de pequeno porte e quando houver solo de baixa resistência. Todavia, possui elevado custo, pois a estrutura é armada tanto na face superior quanto na inferior nas duas direções. Outro aspecto a ser considerado sobre o radier é o elevado nível de dificuldade por execução, principalmente, em terrenos urbanos confinados. (BARBOSA, 2021). 50 7.3 Classificação das fundações profundas As fundações profundas transmitem o carregamento para o subsolo por meio da resistência do fuste, pela resistência da base ou pela combinação dessas duas. Segundo Campos (2015), as fundações profundas são utilizadas quando superficialmente o subsolo não apresenta resistência adequada a magnitude do carregamento, sendo classificadas em dois grandes grupos: tubulões e estacas. 7.3.1 Tubulão Trata-se de um elemento estrutural em que, majoritariamente, as cargas da edificação são resistidas pela base e podem ser classificados em tubulão a céu aberto e tubulão a ar comprimido. Os tubulões são escavados manual ou mecanicamente, todavia, na fase final da escavação, é necessário trabalho manual para limpeza do fundo da escavação ou para alargamento da base (ABNT, 2019). Geometricamente, os tubulões necessitam ter um diâmetro de fuste mínimo de 70cm e, se houver alargamento da base, deve ter forma de um tronco com rodapé de 20cm de altura no mínimo, conforme ilustra a Figura 22. 51 Figura 22 – Detalhes geométricos e construtivos dos tubulões Fonte: BARBOSA, 2021. O tubulão a céu aberto é recomendado quando a cota de assentamento da base estiver acima do nível da água ou, ainda, quando houver solo saturado coesivo, desde que seja possível fazer o bombeamento da água para fora da escavação sem o risco de desmoronamento do solo. O tubulão a ar comprimido é recomendado quando a cota de assentamento da base estiver abaixo do nível do lençol freático. Para tanto, durante a escavação do fuste, é necessário usar um revestimento de concreto ou metálico, comumente denominado de camisa, que pode ser recuperado após a concretagem do tubulão. Nesse tipo de tubulão, é permitido altura superior a 180cm, todavia, deve ser verificada a estabilidade do maciço de terra durante a escavação e não deve ultrapassar 300cm. 7.3.2 Estacas A NBR 6122 define que estaca como: [...] elemento de fundação profunda executado inteiramente por equipamentos ou ferramentas, sem que, em qualquer fase de sua execução, haja trabalho manual em profundidade. Os materiais empregados podem ser: madeira, aço, concreto pré-moldado, concreto moldado in loco, argamassa, 52 calda de cimento, ou qualquer combinação dos anteriores. (ABNT, 2019, p. 3). As estacas podem ser classificadas em dois grandes grupos: pré-moldadas e moldadas in loco. As estacas pré-moldadas, também denominadas de pré-fabricadas, são introduzidas no solo por meio da vibração (martelo vibratório) ou choque mecânico (martelo por gravidade, de explosão e hidráulico). Já para a estacamoldada in loco, ocorre a perfuração do solo e, em seguida, é a feita introdução de concreto, argamassa ou pasta de cimento no local. 8 ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO Na elaboração de projetos de estabilização de taludes, não se pode esquecer que “cada caso é um caso” e que “a natureza não se repete”, e, a adoção de uma solução deve estar embasada em estudos cuidadosos, que consideram as características do meio físico e os processos de estabilização envolvidos. De acordo com Carvalho (1991), é com base no conhecimento das causas dos processos de instabilização de taludes de cortes, aterros e encostas naturais que devem ser definidas e construídas as obras de estabilização. Este embasamento faz- se necessário para garantir a eficácia e a eficiência das obras do ponto de vista técnico e econômico, evitando a execução de obras desnecessárias e a alocação de recursos financeiros excessivamente elevados para a sua função. 8.1 Retaludamento Conforme afirma Gerscovich (2016), quando se fala de um cenário em desequilíbrio, ou seja, de um maciço instável, a solução mais fácil e economicamente viável é alterar a geometria do talude, removendo o volume de terra mais instável. Para haver um aumento na estabilidade por meio do retaludamento, alivia-se o peso junto à crista e se acrescenta peso junto ao pé do talude — ou seja, na base. O corte executado próximo à crista do talude decresce a fração do momento atuante, e a 53 aplicação de uma sobrecarga no pé do talude gera efeito harmonizado no maciço (MASSAD, 2003), conforme mostra a Figura 23. Figura 23 - Composição de um talude. Fonte: Londe e Bitar (2011, p. 230) Ainda conforme Gerscovich (2016), existem várias formas de estabilização de taludes, porém, a mais utilizada, devido à sua clareza e eficácia, é o retaludamento. Esse processo está associado a obras que necessitam de um controle de drenagem mais eficaz. O retaludamento tem função de proteção superficial, reduzindo, dessa forma, a infiltração da chuva, além de orientar o escoamento de água, inibindo processos erosivos. De acordo com Norma Brasileira (NBR) 8044 (ABNT, 2018) e a NBR 11682 da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT, 2009), as técnicas construtivas para esse tipo de alteração geométrica consistem em: Reparar a superfície de contato entre o talude original e o aterro, a fim de reduzir a infiltração da água no maciço; Executar a drenagem na área da base do aterro, com execução de canaletas e/ou escadas hidráulicas, para auxílio de redirecionamento das águas pluviais; Executar o aterro conforme o projeto; 54 Implantar o sistema de drenagem superficial; Colocar cobertura vegetal ou artificial, que evita a erosão. As áreas retaludadas se tornam frágeis em decorrência da exposição recente de novas áreas cortadas/alteradas. Devido a isso, o projeto de retaludamento deve incluir uma proteção do talude (revestimento natural) e um sistema de drenagem eficaz. (STEIN et al., 2021). 8.2 Drenagem Os sistemas de drenagem superficial e profunda, além de contribuírem para a estabilização, são elementos obrigatórios nos projetos, visto que a água é um dos principais agentes de instabilização de taludes. A previsão de sua captação e o direcionamento da água se fazem necessários em diversos projetos de construção civil, inclusive em obras que envolvem taludes (PELAQUIM, 2021). Este sistema tem por objetivo a retirada de parte da água de percolação no interior do maciço, captando-as e direcionando-as para local conveniente. Trata-se de um dos procedimentos mais eficazes e mais empregados na estabilização da maioria dos taludes. O dimensionamento hidráulico dos dispositivos de drenagem é dependente da estimativa da vazão de contribuição, função de parâmetros como área de captação, características geométricas, precipitação de projeto, condições superficiais, etc. (PELAQUIM, 2021). 55 8.2.1 Drenagem superficial A drenagem superficial de taludes consiste na captação das águas que escoam superficialmente sobre o maciço, conduzindo-as para pontos mais baixos e afastados da encosta, medida que evita ou reduz significativamente processos erosivos e a saturação do solo. (STEIN et al, 2021). A Figura 24 apresenta um talude rodoviário com um sistema de drenagem superficial e seus principais dispositivos componentes: canaletas, saídas d’água, escadas d’água e caixas de dissipação. Figura 24 - Indicação dos diversos dispositivos de um sistema de drenagem superficial. Fonte: Adaptada de Carvalho (1991). Onde: Canaletas longitudinais de berma: são construídas no sentido longitudinal das bermas dos taludes, com a finalidade de coletar as águas pluviais que escoam em suas superfícies. 56 Canaletas transversais de berma: são construídas no sentido transversal das bermas e têm por objetivo evitar que as águas da chuva que atingem a berma escoem longitudinalmente. Canaletas de crista: são construídas em proximidade à crista do talude de corte, com o intuito de interceptar o fluxo de água resultante da área a montante. Canaletas de pé: são construídas próximo à base do talude, a fim de coletar as águas provenientes de sua superfície. Além disso, esses dispositivos previnem a ocorrência de erosão no pé do talude. Canaletas de pista: são construídas na lateral das pistas, com a finalidade de captar as águas pluviais provenientes delas. Saídas d’água: são canais construídos para captar as águas provenientes das canaletas e encaminhá-las para drenagens naturais ou bueiros. Escadas d’água: construídas em forma de degraus, sua função é coletar e conduzir as águas interceptadas pelas canaletas, de maneira que não atinjam velocidades de escoamento elevadas. Caixa de dissipação: em geral, de concreto, são caixas construídas nas canaletas e extremidades das escadas d’água, a fim de dissipar a energia hidráulica das águas coletadas. Caixa de transição: são caixas, geralmente de concreto, construídas nas canaletas e nos locais em que ocorrem mudanças bruscas de direção de escoamento, assim como na união de canaletas. Também possibilitam a dissipação de energia e direcionam o encaminhamento das águas. 57 8.2.2 Drenagem profunda (ou subterrânea) A drenagem profunda tem como principal objetivo a retirada de água que percola no interior do maciço, reduzindo o nível freático e, consequentemente, as pressões neutras. Os principais dispositivos dos sistemas de drenagem profunda são drenos sub-horizontais profundos (DHP), poços de alívio, ponteira, trincheiras drenantes e galerias. A drenagem subterrânea é eficaz, mas pode se apresentar relativamente mais cara quando comparada às demais soluções. Assim, é essencial que a água no interior do maciço seja identificada como uma causa do deslizamento antes que os métodos de drenagem subterrânea sejam aplicados a um projeto de estabilização (HIGHLAND; BOBROWSKY, 2008). A Figura 26 ilustra a atuação dos dispositivos de drenagem profunda no nível freático do maciço. Figura 25 - Atuação de um sistema de drenagem profunda no interior do talude. Fonte: Adaptada de Carvalho (1991) 58 8.3 Muros Os muros são definidos como estruturas de contenção lineares ou corridas, que possuem inclinação vertical ou quase vertical, caracterizados por resistirem aos esforços do terreno pela ação do seu peso próprio. Quanto à sua forma, os muros podem ser mais robustos, chamados de muros de peso ou gravidade, ou mais esbeltos, quando são denominados muros a flexão (STEIN et al, 2021). Muros de contenção podem ser construídos com diversos tipos de materiais: alvenaria (tijolo ou pedra), concreto, sacos de solo-cimento, gabiões, pneus, etc. Os muros de flexão devem possuir armaduras para resistir aos momentos decorrentes do empuxo do solo. Os muros de gravidadesão geralmente recomendados para contenção de desníveis pequenos ou médios, de até 5 m (GERSCOVICH; DANZIGER; SARAMAGO, 2019). Os muros de gravidade em alvenaria de pedra são os mais populares e antigos, mas sua aplicação é limitada devido a sua composição. Podem ser executadas com pedras organizadas manualmente, que interagem entre si, ou com a aplicação de argamassa entre as pedras (Figura 26), preenchendo os vazios. Neste último caso, são indicados para vencer desníveis da ordem de 3m. Existem ainda os muros de gravidade em concreto, simples ou ciclópico, que são estruturas construídas com concreto e blocos de rocha (STEIN et al, 2021). Figura 26 - Muro de gravidade em alvenaria de pedra argamassada. Fonte: Stein, 2021 59 De acordo com Milititsky et al. (2019), os muros de flexão (Figura 27) são estruturas esbeltas que possuem seção transversal em forma de “L” ou “T” invertido, resistindo ao empuxo do terreno por ação do seu peso próprio e do peso do solo sobre sua base (seja em “L” ou “T”). São construídos geralmente em concreto armado e podem se aplicar a desníveis superiores a 5m. A fundação desses elementos pode ser direta ou superficial, transmitindo as tensões pela base, ou profunda, na qual o muro apoia-se em estacas. Figura 27 - Muro de flexão em “L”. Fonte: Gerscovich, Danzigere Saramago,2019. 8.4 Cortinas As cortinas são estruturas de contenção esbeltas, que estão sujeitas aos esforços de flexão. São geralmente recomendadas quando a obra não dispõe de área suficiente para utilização de um muro e/ou em desníveis superiores a 5 m. Esse tipo de estrutura de contenção se apresenta em diversas obras de engenharia que envolvem escavações subterrâneas (metrôs, galerias, subsolos de edifícios, etc.), inclusive, em obras portuárias (GERSCOVICH; DANZIGER; SARAMAGO, 2019). As cortinas podem apresentar em balanço, escoradas ou atarantadas. Os paramentos frontais verticais podem se constituir de painéis de concreto armado ou em estacas, que podem ser dos tipos raiz, hélice contínua ou estacões (Figura 28). 60 Figura 28 - Cortina de estacas atirantada. Fonte: Incotep (2019, documento on-line). 8.5 Solo grampeado O solo grampeado ou solo pregado pode ser definido como uma técnica de reforço do talude, por meio da introdução de elementos denominados grampos, que possuem resistência à tração, no maciço (SPRINGER, 2001). Os grampos se constituem de barras de aço envolvidas por uma injeção de calda de cimento ao longo de todo seu comprimento. As barras podem ser inseridas no maciço por meio de perfuração (pré-furo) ou cravação, sendo o primeiro método mais utilizado. A técnica de solo grampeado pode ser utilizada em taludes de encostas naturais ou de escavação, aplicada também a taludes rochosos. No caso das escavações, a execução é feita em etapas, em que a contenção é executada sucessivamente em desníveis parciais, garantindo a estabilidade. Face a essa característica executiva, o solo grampeado é tecnicamente aplicado a solos com determinada coesão, que sejam estáveis às escavações parciais previamente à instalação dos grampos. (STEIN et al, 2021). 61 8.6 Capim-Vetiver A vegetação pode causar efeitos benéficos nas encostas, como reduzir o transporte de sedimentos, aumentar a taxa de infiltração do solo e controlar a erosão marginal. Para estabilizar o solo positivamente, é necessário conhecer as características técnicas da vegetação para o melhor aproveitamento e desenvolvimento no local de estabilização do solo e no controle do processo de erosão. Gramíneas como o capim-vetiver têm sido utilizadas no controle de processos erosivos e na estabilização de taludes, promovendo uma redução de 50% e 70% do escoamento superficial e da erosão do solo, respectivamente [...]. A cobertura do solo com gramíneas fornece uma proteção eficaz contra a erosão da superfície ao reduzir o impacto das chuvas sobre o solo descoberto, como também ao aumentar a percolação de água, a coesão do solo e a resistência dos taludes, promovidos pelas raízes [...] (MACHADO, 2014, p.11). O capim vetiver (Figura 29), tem sido estudado por alguns pesquisadores por sua resistência ao cisalhamento resultante da interação solo-raiz, pois penetra profundamente no solo com facilidade e fornece ancoragem necessária para evitar deslizamentos de terra na superfície. (MACHADO, 2014). Figura 29 - Planta do capim-vetiver Fonte: Machado, 2014. 62 Estudos realizados por Mickovski et al. (2005), Cazzuffi et al. (2006) e Truong & Loch (2004) comprovaram a eficiência do capim-vetiver no aumento da resistência ao cisalhamento do solo. A resistência à tração é uma das propriedades mecânicas mais importantes das raízes. Gray & Sotir (1996) afirmaram que as fibras da raiz aumentam a resistência ao cisalhamento do solo, transferindo a tensão de cisalhamento gerada na matriz do solo para as fibras através do atrito na interface ao longo do comprimento da fibra. Quando ocorre o cisalhamento, as fibras se deformam e ocorre o alongamento, mobilizando a resistência. Este efeito combinado de solo e raiz foi denominado de reforço de solo. O vetiver, por outro lado, possui raízes fasciculares que crescem até 3 metros de profundidade e servem para atirantar o solo, resultando em aumento da resistência ao cisalhamento do solo. Em testes de cisalhamento direto em amostras de solo não perturbadas, foi descoberto que a resistência ao cisalhamento de solos cultivados com vetiver aumentou em até 90% em solos não cultivados após dois anos de plantio. No entanto, é importante enfatizar que a resistência à tração do vetiver pode variar. Para De Baets et al. (2008) vários fatores podem explicar essa variabilidade na resistência à tração da raiz, como variações na idade da raiz, taxa de crescimento, direção pela variação do conteúdo de umidade do solo, textura e estado do solo. O efeito das raízes na melhoria da estabilidade de taludes já vem sendo estudado e reconhecido há alguns anos (GRAY et al, 1996). Entretanto, ainda são precárias as referências na literatura a respeito das propriedades do sistema radicular das plantas, em especial as do capim-vetiver, sendo necessários estudos para melhorar a compreensão do efeito reforço das raízes ao solo, a fim de viabilizar a sua adequação para a estabilização de taludes fluviais. 63 9 REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 6459:2016: determinação do limite de liquidez. Acesso em set/2022. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 7180:2016: determinação do limite de plasticidade.2016. Acesso em set/2022. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6122 – Projeto e execução de fundações. Rio de Janeiro: ABNT, 2019. BARBOSA, Eduarda P. Fundações rasas e profundas. Disponível em: Minha Biblioteca, Editora Saraiva, 2021. CARVALHO, P. A. S. de Manual de geotecnia: taludes de rodovias: orientação para diagnóstico e soluções de seus problemas. 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São Paulo: Oficina de Textos, 2010. 1 INTRODUÇÃO 2 ORIGEM E FORMAÇÃO DOS SOLOS 2.1 Ciclo de formação das rochas 2.2 Conceito de superfície específica 2.3 Formação dos Solos 3 COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA 3.1 Solos Grossos 3.2 Solos Finos 3.3 Caolinitas 3.4 Montmorilonitas 3.5 Ilitas 4 ENSAIOS PARA CARACTERIZAÇÃO DOS SOLOS 4.1 Granulometria 4.2 Limites de Atterberg 4.3 Definição de Índices Físicos 4.4 Definição do estado do solo 4.4.1 Areias 4.4.2 Argilas 5 Sondagem 5.1 Perfuração e ensaio de SPT 6 FATOR DE SEGURANÇA 7 FUNDAÇÕES, CONCEITOS E NORMAS 7.1 Investigação do subsolo 7.2 Classificação das fundações superficiais 7.2.1 Bloco 7.2.2 Sapata isolada Este tipo de sapata deve ser construído em concreto armado e dimensionada de maneira que as tensões de tração solicitadas na estrutura devem ser resistidas, utilizando-se armaduras. Ao combater esses esforços de tração que surgem na sapata com armadur... 7.2.3 Sapata corrida 7.2.1 Sapata associada Sapata dimensionada para atender a dois pilares ou mais, desde que não estejam no mesmo alinhamento, conforme ilustra a Figura 19. A sapata associada é utilizada ao ter carregamento da estrutura elevada em relação à resistência admissível do solo. Em ... 7.2.2 Sapata de Divisa 7.2.3 Radier Trata-se de um elemento estrutural do tipo placa contínua, que apresenta rigidez adequada tanto para receber quanto para distribuir mais do que 70% das cargas da estrutura, conforme ilustra a Figura 21. Para tanto, parte ou todas as alvenarias e os pi... 7.3 Classificação das fundações profundas As fundações profundas transmitem o carregamento para o subsolo por meio da resistência do fuste, pela resistência da base ou pela combinação dessas duas. Segundo Campos (2015), as fundações profundas são utilizadas quando superficialmente o subsolo n... 7.3.1 Tubulão 7.3.2 Estacas 8 ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO 8.1 Retaludamento 8.2 Drenagem 8.2.1 Drenagem superficial A drenagem superficial de taludes consiste na captação das águas que escoam superficialmente sobre o maciço, conduzindo-as para pontos mais baixos e afastados da encosta, medida que evita ou reduz significativamente processos erosivos e a saturação do... A Figura 24 apresenta um talude rodoviário com um sistema de drenagem superficial e seus principais dispositivos componentes: canaletas, saídas d’água, escadas d’água e caixas de dissipação. 8.2.2 Drenagem profunda (ou subterrânea) 8.3 Muros 8.4 Cortinas 8.5 Solo grampeado 8.6 Capim-Vetiver 9 REFERÊNCIAS
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