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FUNDAÇÕES DIRETAS 0 recalque que ocorre imediatamente após o carregamento é chamado de recalque instantâneo ou imediato, wi Recalque no tempo - se deve ao adensamento (migração de água dos poros com consequente redução no Índice de vazios) e a fenômenos viscosos (creep). wt Assim: wt = Wa + Wn Em solos com drenagem relativamente rápida (Areias, solos Argilosos não saturados) wf ocorre relativamente rápido. Curva tempo-recalque Tempo para finalização do recalque no tempo depende de k do solo e distância entre fronteiras drenantes. No caso de areias tempo necessário, minutos ou dias, no caso de argilas plásticas anos Q1, carregamento 1 Q2, carregamento 2 Q3, carregamento 3 COMPORTAMENTO CARGA-RECALQUE DA FUNDAÇÃO: Carregamento rápido, não drenado. Carregamento lento, drenado Tempo para finalização do recalque no tempo depende de k do solo e distância entre fronteiras drenantes. No caso de areias tempo necessário, minutos ou dias, no caso de argilas plásticas anos Q1, carregamento 1 Q2, carregamento 2 Q3, carregamento 3 COMPORTAMENTO CARGA-RECALQUE DA FUNDAÇÃO: Carregamento rápido, não drenado. Carregamento lento, drenado Tempo para finalização do recalque no tempo depende de k do solo e distância entre fronteiras drenantes. No caso de areias tempo necessário, minutos ou dias, no caso de argilas plásticas anos Q1, carregamento 1 Q2, carregamento 2 Q3, carregamento 3 Tempo para finalização do recalque no tempo depende de k do solo e distância entre fronteiras drenantes. No caso de areias tempo necessário, minutos ou dias, no caso de argilas plásticas anos Ensaio Drenado Ensaio Não Drenado TRAJETÓRIA DE TENSÕESCURVA TENSÃO- DEFORMAÇÃO Excesso de Poro-pressão O-A Formação do depósito A-B Escavação B-C Recalque instantâneo wi B-C Adensamento, Recalque no tempo wt O LEVANTAMENTO DE FUNDO RECALQUE INSTANTÂNEO RECALQUE NO TEMPO Esta trajetória ocorrerá só se a 1ª e 2ª fase forem realizadas muito rapidamente e se k do solo for muito baixo. Na prática tem-se uma condição de drenagem parcial . Evolução dos recalques com o tempo, considerando as diferentes etapas da obra para dois solos com drenagem rápida e drenagem lenta. Os métodos de previsão de recalques podem ser separados em três grandes categorias: MÉTODOS RACIONAIS; MÉTODOS SEMI EMPIRÍCOS; MÉTODOS EMPÍRICOS. Nos MÉTODOS RACIONAIS, Os parâmetros de deformabilidade, obtidos em laboratório ou in situ (ensaio pressiométrico e de placa), são combinados a modelos para previsão de recalques teoricamente exatos. Nos MÉTODOS SEMIEMPÍRICOS, os parâmetros de deformabilidade - obtidos por correlação com ensaios in situ de penetração (estática, CPT, ou dinâmica, SPT) - são combinados a modelos para previsão de recalques teoricamente exatos ou adaptações deles. Podemos chamar de MÉTODO EMPÍRICO o uso de tabelas de valores típicos de tensões admissIveis para diferentes solos. Embora as tabelas não forneçam recalques, as tensões ali indicadas estão associadas a recalques usualmente aceitos em estruturas convencionais. Parâmetros de Resistência. Parâmetros de deformabilidade. Resultados sujeitos a perturbações inerentes à amostragem ,estocagem e ao posterior ensaio de laboratório, via de regra inferiores aos reais. Solos granulares e solos não saturados perturbações mais importantes. Minimização destes problemas readensar a amostra a tensões maiores que as de campo. Mudança de comportamento pré-adensamento, divisor entre comportamento elástico e plástico. Módulo de Young Coeficiente de Poisson Modulo de Compressibilidade volumétrica • Módulo tangente na origem (E t,0); • Módulo tangente na variação de tensões esperada (Et,Ds) • Módulo de descarregamento - recarregarnento (Eu,r.); ÍNDICE DE COMPRESSÃO MÓDULO OEDOMÉTRICO RECALQUE NO TEMPO RELAÇÃO ELÁSTICA a) CÁLCULOS DIRETOS - o recalque é fornecido diretamente pela solução empregada. • Teoria da elasticidade. • Métodos numéricos. CAMADA SEMINFINITA onde: q = pressão media aplicada; B = menor dimensão da sapata; n = Coeficiente de Poisson; E = Módulo de Young; Is= fator de influência depende da forma da sapata e de sua rigidez (no caso flexível, depende da posição do ponto:centro, bordo etc.); Id = fator de profundidade/embutimento; lh = fator de espessura de camada compressível. Fundação com largura igual a B apoiada em uma camada de argila semi-infinita; Camada de argila homogênea; O módulo de deformabilidade é constante com a profundidade (situação encontrada em argilas sobreadensadas). Métodos numéricos. Fatores de forma Is para carregamentos na superfície de um meio de espessura infinita (Perloff, 1975). Id=1 na superfície, Ih=1 espessura infinita. VALORES TÍPICOS DO COEFICIENTE DE POISSON VALORES TÍPICOS DO MÓDULO DE ELASTICIDADE VALORES TÍPICOS DE PESO ESPECÍFICO EXERCÍCIO I. Estimar o recalque imediato da sapata indicada na figura à ·direita, considerada rígida, com B=L=3m, aplicando ao solo a tensão s = 0,2 MPa. Como se trata de camada seminfinita com Es constante com a profundidade, usamos a Teoria da Elasticidade: Da tabela. Sapata Rígida Ir=0,99 Argila Saturada n=0,5 Es ≈ 16MPa ri= 0,2 x 3.000 1- 0,5² 0,99 = 27,8mm 16 Es=qc Es= K NSPT Es2= K. NSPT Es2=7.0 x 0,15 x 15 =16 Mpa. Em muitos casos, a camada de argila apresenta uma espessura finita estando sobreposta a um material que pode ser considerado rígido ou indeformável, exigindo, portanto, uma adaptação da equação apresentada anteriormente para o cálculo dos recalques imediatos. Segundo Cintra et al. (2003), Janbu et al. (1956) apud Simons e Menzies (1981) apresentaram a expressão para o cálculo dos recalques imediatos: Es constante Onde: m0 Fator de influência do embutimento da sapata m1 Fator de influência da espessura da camada de solo São fatores para o cálculo imediato de fundações diretas em camadas de argila com espessura finita. CAMADA FINITA GRÁFICOS PARA DETERMINAÇÃO DE : m0 e m1 F A T O R m 1 F A T O R m 0 EXERCÍCIO II. Estimar o recalque imediato da sapata indicada, considerada rígida, com B=L= 3m, aplicando ao solo. a tensão s = 0,2 MPa., considerando que se encontra apoiada à cota - 1,5 m e com o indeslocável (topo rochoso) à cota -7,5 m. Trata-se de camada finita com E, constante, então: h/B= 1,5/3 = 0,5 e L/B = 1 m0 = 0,86 H/B = 6/3 = 2 e L/B = 1 m1 = 0,56 ri= 0,86 x 0,56 x 0,2 x 3.000 ≈18,1mm 16 O maciço de solo sobreposto ao indeslocável pode ser constituído por mais de uma camada, cada uma com o seu módulo de deformabilidade, como o problema representado a seguir. MULTICAMADAS. Temos três formas de determinar o recalque. a) CAMADA HIPOTÉTICA; b) SAPATA FICTÍCIA; c) MÉDIA DOS MÓDULOS. CAMADA HIPOTÉTICA Inicialmente devemos determinar o recalque de cada uma das camadas (r1 e r2), para só depois obter o recalque total da sapata: rt = r1 + r2 Para r1 utilizamos camada finita elevando o indeslocável para o topo da segunda camada. Para r2 Simons e Mensies (1981) propõem primeiro calcular o recalque de uma camada hipotética, com a espessura total das duas camadas e com módulo de deformabilidade da segunda (Es2) e, depois, subtrair o que foi considerado a mais, isto é, o recalque da primeira camada suposta com módulo Es2. CAMADA HIPOTÉTICA De forma análoga, podemos levar em conta a presença de umaterceira e até mais camadas. Essa metodologia pode ser considerada uma solução exata para o recalque de multicamadas, dentro das limitações do conceito de exato em geotecnia. Quando houver várias camadas, não podemos considerar apenas as pertencentes ao bulbo de tensões, mas também não precisamos calcular o recalque de todas, até o indeslocável. Como critério prático, prosseguimos o cálculo até encontrar uma camada com contribuição desprezível no recalque total, desde que, subjacente a ela, não haja camada mais compressível. SAPATA FICTÍCIA Como alternativa à metodologia anterior, vamos simplificar o cálculo do recalque da segunda camada, considerando uma sapata fictícia apoiada no seu topo, com dimensões ampliadas através da propagação 1:2. De maneira similar, podemos considerar a presença de mais camadas. Esse procedimento conduz a resultados bem próximos dos obtidos na solução anterior. Pela sua simplicidade. MÉDIA DOS MÓDULOS Uma solução direta pode ser a consideração de uma camada única, com módulo de deformabilidade dado pela média ponderada dos módulos. Assim, para duas camadas, teríamos: 𝐸𝑠𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = 𝐻1. 𝐸𝑠1 + 𝐻2. 𝐸𝑠2 𝐻1 + 𝐻2 Esta solução é muito interessante pela sua simplicidade, entretanto, deve ser descartada pois conduz a resultados com erros apreciáveis. EXEMPLO III. Estimar o recalque imediato da sapata indicada, considerada rígida, com B=L= 3m, aplicando ao solo. a tensão s = 0,2 MPa., considerando que se encontra apoiada à cota - 1,5 m e com o indeslocável (topo rochoso) à cota -13,5 m, considerar uma segunda camada de argila antes de atingir o indeslocável. Vamos considerar Es constante e apresentar as três formas de solução. Nas duas primeiras vamos considerar o recalque total como rt = r1 + r2 Es=qc Es= K NSPT Es2= K.NSPT Es2=7x0,15x25 =26 Mpa. C1: fator de correção do recalque devido ao embutimento da sapata variando de 1 a 0,5. C2: fator de correção devido ao tempo em que a carga está aplicada ao solo; Assim, o recalque imediato será: 1. Calcular os valores de q. s*, C1, e C2. 2. A partir da base da sapata, desenhar o triângulo 2B-0,6 para o fator de influência. 3. No intervalo de 0 a 2B abaixo da sapata, dividir O perfil qc (ou NSPT) num número conveniente de camadas, cada uma com E constante (uma divisão Que passe por B/2 é aconselhável). 4. 4. Preparar uma tabela com seis colunas: número da camada, Dz, Iz, qc (ou NSPT), Es e Iz Dz/Es. 5. Encontrar o somatório dos valores da última coluna e multiplicá-lo por C1, C2 e s* (aconselha-se o uso das unidades em MPa para q. s* e Es e em mm para Dz, resultando o recalque final em mm. Reproduzindo o caso real resolvido por Schmertmann (1970), calcular o recalque apôs 5 anos de uma sapata de 2.6 m por 23.0 m, apoiada a 2.0 m da superfície do terreno. aplicando uma tensão de 182 kPa. Trata-se de areia média compacta com peso específico de 16 kN/m³ (saturado de 20 kN/m3); o NA encontra-se a 2,05 m de profundidade. Os valores de qc a partir da profundidade de 2,0 m são apresentados na figura ao lado EXEMPLO: Schmertmann (1970) EXEMPLO: Schmertmann (1970) EXEMPLO: Schmertmann (1970) Em 1978, Schmertmann introduziu modificações para aperfeiçoar o MÉTODO de 1970. Essas modificações, confirmadas por Schmertmann et. aI. (1978), têm o objetivo principal de separar os casos de sapata corrida (deformação plana) e de sapata quadrada (assimetria), Para isso, dois novos diagramas para a distribuição do fator de influência na deformação são propostos. O valor máximo de Iz ocorre em profundidades diferentes, dependendo do caso (z=B/2 para sapata quadrada e z=B para sapata corrida), e deixa de ser constante e igual a 0,6. passando a ser calculado por: Em que: sv=tensão vertical efetiva na profundidade correspondente a Izmax ; s*=tensão líquida aplicada pelo elemento de fundação. Portanto. o valor de Izmax aumenta com a tensão líquida aplicada pela sapata. Para a relação s*/sv aumentando de 1 para 10, por exemplo, o valor de Izmax passa de 0,60 para 0,82. Também se observa que o diagrama vai até 4B para sapata corrida (L/B >10) e que na profundidade z = 0, correspondente à base da sapata, o valor de I, não é nulo, mas igual a 0,1 para sapata quadrada e 0,2 para sapata corrida, Assim. o diagrama deixa de ser triangular. Calcular o recalque apôs 5 anos de uma sapata corrida de 2.6 m de largura por 23,0m, apoiada a 2.0 m da superfície do terreno. aplicando uma tensão de 182 kPa. Trata-se de areia média compacta com peso específico de 16 kN/m³ (saturado de 20 kN/m³); o NA encontra-se a 2,05 m de profundidade. Os valores de qc a partir da profundidade de 2,0 m são apresentados na figura ao lado EXEMPLO: Schmertmann (1978) EXEMPLO: Schmertmann (1978) EXEMPLO: Schmertmann (1978) s*=s-q s*=182-2x16=150kPa EXEMPLO: Schmertmann (1978) Estimar o recalque imediato da sapata quadrada com B=L=3m, apoiada à cota -2m, aplicando ao solo uma tensão s=0,20MPa. Adotar g=17kN/m3 q = 2 x 17 = 34 kPa s * = s -q = 200-34 = 166k.Pa C1= 1-0,5 𝑞 𝜎∗ . ≥ 0,5 ⇒ C1 = 1,0 -0,5 34 166 =0,90 recalque imediato C2 = 1 + 0,2 · log 𝑡 0,16 ⇒ C2 = 1,00 z = B/2 = 1.5 m-cota -3,5 m: Es = K Nspt (MPa) areia: = 3 K = 0,9 Es = 2.7 x Nspt Mpa sv = 34+ 1.5 x 17 ≅ 60kPa lzmax=0,5+0,1 𝜎∗ 𝜎𝑣 =0,5+0.1 166 60 - ≅0,67 Camada D z (mm) 1 z NSPT E s (MPa) I zD Z /E s 1 1,500.00 0.38 12 32 17.81 2 500.00 0.63 12 32 9.84 3 1,000.00 0.52 15 40 13.00 4 1,000.00 0.37 13 35 10.57 5 1,000.00 0.22 16 43 5.12 6 1,000.00 0.07 16 43 1.63 6,000.00 57.97 ri= 0,90 x1,00 x 0,166 x 57,97 = 8,7 mm Se quiséssemos obter o recalque após um tempo t de um ano, por exemplo, teríamos: t= 1 ⇒ C1= 1+0,21og= 1,20 rd = 0,90 x1,20 x 0,166 x 57,97 = 10,4mm Estimar o recalque imediato de um tubulão a céu aberto, com base alargada de diâmetro Db=3m, apoiada à cota -8m, no terreno apresentado pelo perfil ao lado, aplicando ao solo uma tensão s=0,40MPa. EXEMPLO: Schmertmann (1978) Calculando a base "quadrada" equivalente (mesma Até a cota -8m: areia seca, Nspt≤7 ⇒ g=16kN/m³ q = 8x16 = 128kPa s* = 400-128 = 272kPa C1 = 1-0,5 128 272 =0,76 C2=1+0,2 log 𝑡 0,1 ⇒ C2 =1 (recalque imediato) Calculando a base "quadrada" equivalente (mesma área): 𝐵 = 𝐿 = 𝜋 32 4 ≅ 2,70𝑚 cota -9,35m (z = B/2 abaixo da base do tubulão) sv = 128 + 1,35 x 16 ≅ 150 kPa lzmax=0,5+0,1 𝜎∗ 𝜎𝑣 =0,5+0.1 272 150 - ≅ 0,63 Es = KNspt (MPa) Areia argilosa (interpelando) = 4 Es = 2.2Nspt (MPa) K = 0,55 Mpa ri = 0,76x1x0,272x100,65 = 20,8mm EXEMPLO: Schmertmann (1978) Até a cota -8m: areia seca, Nspt≤7⇒ g=16kN/m³ q = 8x16 = 128kPa s* = 400-128 = 272kPa CAMAD A Dz (mm) Iz Nspt Es (MPa} Iz Dz/ Es 1 1350 0,36 9 20 24.30 2 650 058 9 20 18.85 3 1000 045 7 15 30.00 4 1000 o. o 7 15 20.00 5 1000 01 9 20 7.00 6 410 0.03 11 24 0.50 S= 5410 S= 100.65 ri = 0,76x1x0,272x100,65 = 20,8mm EXEMPLO: SAPATA FICTÍCIA RECALQUE POR ADENSAMENTO (rc) Os recalques de solos coesivos saturados resultam de deformações volumétricas que se processam com o decorrer do tempo. São estimados através da teoria do adensamento de Terzaghi. Para a compressão virgem, o recalque de adensamento final (t = ) é dado por: Onde: Cc = índice de compressão; s’i = pressão efetiva inicial à cota média da camada; Ds’ = acréscimo médio de pressão efetiva na camada; s’ad = pressão de pré-adensamento;eo = índice de vazios inicial da camada; H = espessura da camada compressível. Os valores de Cc , eo e s’ad são obtidos de ensaio de adensamento em amostra indeformada, retirada da cota média da camada. Rever o tema conforme já estudado em Mecânica dos Solos. RECALQUE POR ADENSAMENTO (rc) RECALQUE POR ADENSAMENTO (rc) No caso de solos pré-adensados, o trecho da curva de compressibilidade a ser considerado dependerá dos limites das tensões envolvidas. Se a faixa de tensões estiver contida exclusivamente no trecho de recompressão; isto é, se s’vf < s’vm tem-se: Onde: Cr = índice de compressão; s’f = pressão efetiva de pré-adensamento à cota média da camada; s’o = pressão efetiva inicial à cota média da camada; s’f = (s’o + Ds’) pressão efetiva vertical final à cota média da camada; Ds’ = acréscimo médio de pressão efetiva na camada; eo = índice de vazios inicial da camada; Ho = espessura da camada compressível. Cr RECALQUE POR ADENSAMENTO (rc) No caso de solos pré-adensados, o trecho da curva de compressibilidade a ser considerado dependerá dos limites das tensões envolvidas. Caso a tensão efetiva vertical final ultrapasse a tensão efetiva de pré- adensamento; isto é, se s’vf > s’vm tem-se: Onde: Cr , Cc = índice de compressão; s’vm = pressão efetiva de pré-adensamento à cota média da camada; s’o = pressão efetiva inicial à cota média da camada; s’vf = (s’o + Ds’) pressão efetiva vertical final à cota média da camada; Ds’ = acréscimo médio de pressão efetiva na camada; eo = índice de vazios inicial da camada; Ho = espessura da camada compressível. Cr Cc CASOS MAIS COMUNS DE SOBREADENSAMENTO • Processos naturais: erosão, elevação do nível d'água; • Processos artificiais (para se tirar proveito do sobreadensamento): sobre aterros, rebaixamento temporário do nível d'agua; • Escavações para implantação de "fundações compensadas"; • Envelhecimento (aging), decorrente da idade do depósito (ver, p. ex., Bjerrum, 1967). EXEMPLO. Estimar o recalque por adensamento de uma sapata com dimensões B=1m e L=2m assente no perfil mostrado. 𝜌𝑐 = 𝐶𝑐𝐻 1 + 𝑒0 𝑙𝑜𝑔 𝜎′𝑖 + ∆𝜎′ 𝜎′𝑎𝑑 si’= (2.5)(16.5)+(0.5)(17.5-9.81)+(1.25)(16 - 9.81) = 41.25+3.85+7.74= 52.84 kN/m² ∆𝑝 𝑝𝑟𝑜𝑚 = 1 6 ∆𝑝𝑡 + 4∆𝑝𝑚 + ∆𝑝𝑏 L=2m e B=1m 𝑞0=150kN/m²m= L / B z (m) Z / (B/2) = n1 I c Dp = q0 I c 2 2 4 0,19 28,5 =Dp t 2 2 + 2,5/2 = 3,25 6.5 ≅0,085 12.75 =Dp m 2 2 + 2,5 = 4,5 9 0,045 6.75 =Dp b ∆𝜎𝑧 = q0 𝐼𝑐 ∆𝑝 𝑝𝑟𝑜𝑚 = 1 6 28,5 + 4 × 12,75 + 6,75 = 14,38𝑘𝑁/𝑚² 𝜌𝑐 = 0,32 × 2,5 1 + 0,8 𝑙𝑜𝑔 52,84 + 14,38 52,84 = 0,0465 = 46,5𝑚𝑚 n1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.20 0.994 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997 0.40 0.960 0.976 0.977 0.977 0.977 0.977 0.977 0.977 0.977 0.977 0.60 0.892 0.932 0.936 0.936 0.937 0.937 0.937 0.937 0.937 0.937 0.80 0.800 0.870 0.878 0.880 0.881 0.881 0.881 0.881 0.881 0.881 1.00 0.701 0.800 0.814 0,817 0.818 0.818 0.818 0.818 0.818 0.818 1.20 0.606 0.727 0.748 0.753 0.754 0.755 0.755 0.755 0.755 0.755 1.40 0.522 0.658 0.685 0.692 0.694 0.695 0.695 0.696 0.696 0.696 1.60 0.449 0.593 0.627 0.636 0.639 0.640 0.641 0.641 0.641 0.642 1.80 0.388 0.534 0.573 0.585 0.590 0.591 0.592 0.592 0.593 0.593 2.00 0.336 0.481 0.525 0.540 0.545 0.547 0.548 0.549 0.549 0.549 3.00 0.179 0.293 0.348 0.373 0.384 0.389 0.392 0.393 0.394 0.395 4.00 0.108 0.190 0.241 0.269 0.285 0.293 0.298 0.301 0.302 0.303 5.00 0.072 0.131 0.174 0.202 0.219 0.229 0.236 0.240 0.242 0.244 6.00 0.051 0.095 0.130 0.155 0.172 0.184 0.192 0.197 0.200 0.202 7.00 0.038 0.072 0.100 0.122 0.139 0.150 0.158 0.164 0.168 0.171 8.00 0.029 0.056 0.079 0.098 0.113 0.125 0.133 0.139 0.144 0.147 9.00 0.023 0.045 0.064 0.081 0.094 0.105 0.113 0.119 0.124 0.128 10.00 0.019 0.037 0.053 0.067 0.079 0.089 0.097 0.103 0.108 0.112 m1 Variação de Ic com m1 e n1 CONDIÇÕES DO SUBSOLO POSSIBILIDADES DE FUNDAÇÃO Estruturas Leves, Flexíveis Estruturas Pesadas Rígidas Camada Resistente a Pequena Profundidade – Sapatas ou Blocos – Sapatas ou Blocos – “Radier” Raso Camada Compressível de Grande Espessura – Sapatas em Solo não Coesivo Previamente Compactado – “Radier” Raso – Estacas Flutuantes – “Radier” Profundo com Eventual Estrutura de Enrijecimento – Estacas de Grande Comprimento – Estacas Flutuantes Camadas Fracas Sobrejacentes a uma Camada Resistente – Estacas de Ponta – Sapatas ou Blocos em Solo não Coesivo previamente compactado ou em solo carregado – “Radier” Raso – Estacas de Ponta ou Tubulões – “Radier” Profundo Camada Resistente Sobrejacente à Camada Fraca – Sapatas ou Blocos – “Radier” Raso – “Radier” Profundo (fundação flutuante) – Estacas de grande comprimento ou tubulões, atravessando a camada fraca Camadas Fracas e Resistentes Alternadas – Sapatas ou Blocos – “Radier” Raso – “Radier” Profundo – Estacas ou Tubulões com apoio numa camada resistente
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