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Previsão do Coeficiente de Reação Vertical de Solos Arenosos de Baixa Compacidade de Fortaleza a partir de Sondagens a Percussão e Provas de Carga Direta Paloma Moreira de Medeiros Fortaleza, Brasil, medeiros_paloma@yahoo.com.br Alfran Sampaio Moura Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, Brasil, alfransampaio@ufc.br Renato Pinto da Cunha Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, rpcunha@unb.br RESUMO: O coeficiente de reação vertical (kv) é uma constante de proporcionalidade que relaciona as tensões aplicadas ao solo por uma fundação com os recalques verticais. O coeficiente de reação vertical, ou coeficiente de mola, tem como princípio fundamental a hipótese de Winkler. O presente trabalho apresenta um estudo comparativo da previsão do coeficiente de reação vertical determinado por diferentes métodos de cálculo e tem por objetivo avaliar a variação de valores estimados por diferentes métodos, nortear a sua determinação e apresentar uma proposta alternativa para a determinação do coeficiente de reação vertical de solos arenosos de baixa compacidade de Fortaleza. A metodologia adotada no presente trabalho teve como base a realização das seguintes etapas: coleta de dados de ensaios de prova de carga direta e de sondagens a percussão (SPT), caracterização geotécnica dos solos dos locais de ensaio, realização de provas de carga direta com placa de 30 cm de diâmetro, realização de análises para a estimativa de valores do coeficiente de reação vertical de cada um dos solos estudados através de métodos consagrados, comparação dos resultados e proposição de um método alternativo para determinação de kv. As estimativas de kv foram realizadas a partir de métodos que utilizam resultados de sondagens a percussão e por meio de provas de carga direta. A partir daí, foi possível comparar os resultados estimados para 7 locais distintos de Fortaleza. Vale observar que em todos os locais avaliados o subsolo apresentava perfil geotécnico semelhante, com solo arenoso superficial de baixa compacidade. Na sequência, valores de ksl, para uma placa quadrada de 1 pé de lado, foram comparados com estimativas realizadas a partir de métodos que utilizam resultados de sondagens a percussão. Foi observado que os valores de ksl obtidos das provas de carga ficaram, quase sempre, sobre o limite superior da faixa proposta por De Mello (1971). Correlacionando o NSPT médio da porção superficial de solo de cada local do estudo com estimativas obtidas pelas provas de carga, foi possível estabelecer uma expressão para a determinação aproximada de ksl de solos arenosos de baixa compacidade de Fortaleza. PALAVRAS-CHAVE: Coeficiente de reação vertical, prova de carga direta, sondagem a percussão. 1 INTRODUÇÃO Na realização de obras civis, é necessária a previsão do comportamento do solo anteriormente à execução da estrutura. Nesse sentido, destaca-se a elevada complexidade do comportamento dos solos, nos quais, na maioria das situações, pouco se pode alterar. Entretanto, em acordo com Velloso e Lopes (1996), verifica-se que não basta realizar previsões, é necessário avaliá-las de forma adequada, interpretando-as face aos resultados do evento previsto. Existem diversos métodos para a determinação dos parâmetros dos solos que são utilizados na previsão do comportamento das fundações de obras civis. Alguns dos principais ensaios de campo utilizados são os seguintes: a sondagem a percussão (SPT), o ensaio de cone (CPT), ensaios pressiométricos (PMT), ensaios sísmicos, ensaios de palheta e provas de carga, além de outros. Nesse contexto, provas de carga podem ser úteis para a verificação da inconsistência em algumas previsões. Provas de carga podem ser executadas em fundações profundas ou superficiais, nesse caso, são comumente chamadas de ensaios de placa. Uma prova de carga é realizada aplicando-se esforços crescentes a uma estaca teste (em tamanho real), ou placa metálica de tamanho padronizado, executada previamente, registrando-se os deslocamentos correspondentes. Esses esforços podem ser de compressão ou tração, devendo o ensaio reproduzir as condições mais próximas das solicitações reais. Em projetos de fundações superficiais de edifícios, é comum a estimativa de recalques, da tensão admissível do solo e mesmo do coeficiente de reação vertical a partir de métodos semi-empíricos com base apenas em resultados do NSPT de sondagens a percussão. Ocorre que, correntemente em projetos realizados em Fortaleza, essas estimativas dificilmente são confirmadas previamente pela realização de ensaios mais adequados. Portanto, o presente trabalho visa um estudo comparativo da aplicabilidade de métodos de previsão do coeficiente de reação vertical de terrenos arenosos com baixa compacidade de Fortaleza. 2 MÉTODO DE WINKLER A solução clássica ou hipótese de Winkler considera o solo como um colchão de molas independentes umas das outras, onde a placa ou viga estará assentada recebendo cargas e sofrendo recalques. A formulação geral para esse método é de que o valor das tensões (q) sofridas pela fundação é diretamente proporcional ao produto entre o coeficiente de recalque (k) e o deslocamento (w). �� = � � (1) O coeficiente de recalque kv pode ser obtido através de ensaio de placa (NBR 6489:1984), a partir do cálculo de recalques (relação de Winkler), por correlações e por tabelas de valores típicos. Segundo Velloso et al (1998), o valor do coeficiente de reação vertical do solo (kv) depende das propriedades do meio, das dimensões e da forma da placa. Entretanto, segundo Berberian (1989), a curva carga-recalque obtida no ensaio de placa, na maioria das vezes, não é linear, e o valor de kv recomendado, ou seja, aquele que melhor simula a situação real, poderá ser obtido através da reta secante a 50% da deformação de ruptura. Velloso et al. (1998) descrevem que, para uma dada curva pressão-recalque, a inclinação do seu trecho inicial é o próprio coeficiente. Se, por acaso, a curva pressão-recalque apresentar uma forte não linearidade, o valor kv representativo se obtém a partir de pressões previstas, após ciclos de carga. 3 MATERIAIS E MÉTODOS A metodologia da presente pesquisa teve como base a execução das seguintes etapas: - Pesquisa bibliográfica; - Coleta de dados; - Escolha dos locais de realização dos ensaios de campo; - Caracterização, por meio de ensaios de campo, dos solos dos locais selecionados; - Execução de provas de carga direta com placa de 30 cm de diâmetro; - Estimativas do coeficiente de reação vertical por meio de correlações semi- empíricas, tabelas e a partir das provas de carga realizadas; - Análises dos resultados; - Conclusões. 3.1 Coleta de dados A coleta de dados foi realizada em uma empresa local atuante na área de fundações. Nela foram coletados resultados de quatro ensaios de prova de carga direta e sondagens a percussão realizadas na cidade de Fortaleza em diferentes locais e datas. Os locais dos ensaios cujos dados foram obtidos na coleta de dados foram os seguintes: - Rua Joaquim Lima (Bairro Papicu); - Av. Padre Antônio Tomás (Bairro Cocó); - Rua Senador Pompeu (Bairro Centro); - Rua Almirante Rufino (Bairro Montese). 3.2 Escolha dos locais de ensaios Foram realizados ensaios de provas de carga direta em três áreas distintas da cidade de Fortaleza. A escolha desseslugares se deu pela disponibilidade de recursos, de mão de obra e de dados técnicos como sondagens a percussão previamente realizadas. Além disso, cada local, para ser escolhido, deveria apresentar subsolo arenoso com compacidade fofa na porção mais superficial de solo e, consequentemente, baixo índice de resistência a percussão (NSPT). Procuraram-se ainda áreas distantes entre si e bem distribuídas pela cidade de Fortaleza para que pudessem representar melhor os solos da cidade. Dessa forma, os locais de ensaio foram os esquematicamente representados na tabela 1. Tabela 1 - Locais de ensaio Local nº Rua, Nº Bairro 1 Rua Professor Carlos Lobo, 15 Parque Manibura 2 Rua 24 de Maio, 1330 Cearense 3 Rua Luiza Miranda Coelho, 800 Engenheiro Luciano Cavalcante Os recalques foram obtidos através da leitura de dois extensômetros colocados sobre uma placa metálica de 706,5 cm² em posições diametralmente opostas. 4 RESULTADOS DOS ENSAIOS A seguir, são apresentados o perfil geotécnico e a curva tensão x recalque dos locais cujos dados foram coletados e dos locais onde os ensaios de prova de carga direta foram realizados exclusivamente para o presente trabalho. 4.1 Resultados dos dados na Rua Joaquim Lima Pela sondagem a percussão da Rua Joaquim Lima (Figura 1), observa-se que há uma fina camada de aterro de 20 cm e uma espessa camada de areia fina a média até 10,35 m. Observam-se baixos índices de resistência (NSPT de aproximadamente 5) nos cinco primeiros metros. A partir daí o NSPT tende a aumentar. O nível d’água se encontra a 6,5 m de profundidade. Na sequência, há um solo de silte argiloso a partir de 10,35 m até 19 m de profundidade. Figura 1. Sondagem a percussão (SPT) realizada na Rua Joaquim Lima As cargas da prova de carga foram aplicadas de forma lenta em seis estágios de 50 kPa (0,5kgf/cm²), atingindo uma tensão de 300 kPa (3,0kgf/cm²). No 7º estágio de carregamento, quando a tensão seria elevada de 300 kPa para 350 kPa, ocorreu a ruptura do solo, como pode ser observado na Figura 2. Figura 2. Resultado da prova de carga na Rua Joaquim Lima 4.2 Resultados dos dados na Av. Padre Antônio Tomás A sondagem SP 01 da Av. Padre Antônio Tomás (Figura 3) indica a presença de uma camada de areia fina e média com variações de cor e compacidade até 17,45 m de profundidade. A resistência à penetração é baixa nos primeiros quatro metros. A partir daí, o NSPT aumenta gradativamente . O nível d’água está a 4,20 m de profundidade. Figura 3. Sondagem a percussão (SPT) realizada na Av.Padre Antônio Tomás Os estágios de carga do ensaio de placa foram aplicadas de forma lenta em nove estágios de 78 kPa (0,78 kgf/cm²), atingindo uma tensão de 706 kPa (7,0 kgf/cm²). A descarga foi feita em quatro estágios. A Figura 4 apresenta os resultados da prova de carga na Av. Padre Antônio Tomás. Figura 4. Resultado da prova de carga na Av. Padre Antônio Tomás 4.3 Resultados dos dados na Rua Senador Pompeu Observa-se que, na sondagem a percussão SP 01, existe uma camada superficial de 80 cm de aterro, seguida de uma espessa camada de areia fina fofa atingindo 8,45 m de profundidade. O nível d’água está a aproximadamente 6,0 m de profundidade. Os índices de resistência à penetração (NSPT) ao longo de toda profundidade apresentaram-se bastante baixos (abaixo de 10), como pode ser observado na Figura 5. Figura 5. Sondagem a percussão (SPT) realizada na Rua Senador Pompeu Os estágios de tensões da prova de carga foram aplicados em múltiplos de 40 kPa até ser atingida a tensão de 280 kPa (2,8 kgf/cm²) onde ocorreu a ruptura. (Figura 6). Figura 6. Resultado da prova de carga na Rua Senador Pompeu 4.4 Resultados dos dados na Rua Almirante Rufino As sondagens SP 01, SP 02, SP 03 e SP 04 possuem os índices de resistência NSPT baixos (menor que 10) até os 8 m mais superficiais (Figura 7). A partir daí, a resistência à penetração tende a aumentar consideravelmente. O solo sondado é classificado como areia fina e média, siltosa e o nível d’água está, aproximadamente, a 3,65 m da superfície do terreno natural (limite entre camadas). Figura 7. Sondagem a percussão (SPT) realizada na Rua Almirante Rufino A prova de carga foi realizada em sete estágios, sendo três de 30 kPa e quatro de 40 kPa, atingindo a tensão de 250 kPa, ou seja, 2,5 kgf/cm². A descarga foi executada em cincoestágios de 50 kPa (Figura 8). Figura 8. Resultado da prova de carga na Rua Almirante Rufino 4.5 Resultados do local de ensaio nº01 Para o local de ensaio nº 01, o perfil de resistência (Figura 9) é bastante baixo, em geral, em toda a profundidade ensaiada sendo que, a 4 m de profundidade, o NSPT assume valores ínfimos. O nível d’água não foi encontrado até a profundidade ensaiada. As camadas analisadas são compostas por areias siltosas com variação de cor e compacidade até cerca de 5 m de profundidade, seguida de areia silto-argilosa com variação de cor e compacidade até 8,45 m. Figura 9. Sondagem a percussão (SPT) realizada no local de ensaio nº 01 A prova de carga foi realizada com 8 estágios de carregamento até uma tensão de 384 kPa. Logo após, foram feitos 2 estágios de descarregamento (Figura 10). Figura 10. Resultado da prova de carga do local de ensaio nº 01 4.6 Resultados do local de ensaio nº02 Os índices de resistência a percussão (NSPT) apresentam baixos valores até 12 m de profundidade. A partir daí observa-se a elevação gradual do NSPT até 17 m. A camada mais superficial é composta por areia fofa, fina a média com pouca areia grossa até, aproximadamente, 8,60 metros. Na sequência, tem-se areia fina a grossa, fofa a medianamente compacta, cinza até 15,90 m (Figura 11). O nível d’água está a 7,50 metros. Figura 11. Sondagem a percussão (SPT) realizada nolocal de ensaio nº 02 O ensaio de prova de carga direta foi realizado com a aplicação de 8 estágios de carregamento atingindo a tensão de 797 kPa (Figura 12). O descarregamento foi realizado em 3 estágios. Figura 12. Resultado da prova de carga do local de ensaio nº 02 4.7 Resultados do local de ensaio nº03 O perfil de resistência do local de ensaio nº 03 apresenta valores baixos até cerca de 12 m, a partir daí o NSPT cresce progressivamente com a profundidade (Figura 13). Aproximadamente nos 5,0 m mais superficiais, se inicia o nível dágua, o qual coincide com uma camada de areia siltosa seguido de areia argilosa até 11,11m . Logo após há uma fina camada de silte arenoso até 11,51 m; argila arenosa com pedregulhos e até 13,01 m; argila com pedregulhos até 15,36 m; e, por fim, areia argilosa com pedregulhos até 16,37 m. Figura 13. Sondagem a percussão (SPT) realizada no local de ensaio nº 03 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 R ec a lq u e (m m ) Tensão (kPa) 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 0 200 400 R e ca lq u e ( m m ) Pressão (kPa) Deflectômetro 1 Deflectômetro 2 Média 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 0 500 1000 R e ca lq u e ( m m ) Pressão (kPa) Deflectômetro 1Deflectômetro 2 Média A prova de carga direta foi executada com a aplicação de 5 estágios de carregamento atingindo a tensão máxima de 223 kPa. O descarregamento foi feito em 2 estágios. Figura 14. Resultado da prova de carga do local de ensaio nº 03 5 ANÁLISES A estimativa do coeficiente de reação vertical (ks1) foi realizada através de 3 procedimentos: por ensaio de placa, por correlações com o NSPT e através da Teoria da Elasticidade. Para o ensaio de placa, devido a não linearidade da curva tensão x recalque, adotou- se o procedimento de se delimitar um trecho de carregamento de interesse e se traçar uma reta secante nessa região da curva. Utilizou-se a expressão (1) considerando-se um recalque de 1 cm (w = 0,01m) na placa circular de diâmetro de 30 cm e a tensão (q em MPa) correspondente em cada ensaio realizado. Nos locais onde não se alcançaram o recalque de 1 cm, utilizaram-se os recalques máximos encontrados. O recalque de 1 cm foi escolhido baseado na citação de Nyama et al (1998): "O código da cidade de Boston, que é freqüentemente citado e utilizado, recomenda que seja adotado o maior dos dois valores, obtidos na curva pressão x recalque: a pressão que provoca um recalque de 10 milímetros, ou a metade da pressão que provoca um recalque de 25 milímetros." Utilizou-se, então, o mais viável dos critérios. Obtido o valor de kv relativo à placa de ensaio, utiliza-se a equação (2) que considera o solo um meio elástico homogêneo e semi- infinito, para convertê-lo em ks1 o qual corresponde a uma placa quadrada de 1 pé (30,48 cm), de forma que: ��,� = ��,� � ��,� ��,� (2) Onde: kv,b = coeficiente de reação vertical da placa circular de 30 cm de diâmetro; kv,B = coeficiente de reação vertical da placa quadrada de 30,48 cm de lado; B = dimensão da placa quadrada; b = dimensão da placa circular; Is,B = fator de forma da placa quadrada; Is,b = fator de forma da placa circular. A exemplo explicativo, pode-se considerar o local de ensaio nº 01, onde, para o recalque máximo atingido de 0,22 cm, tem-se a tensão equivalente de 390 kPa. Dessa forma, o kv encontrado será de 177,3 MPa/m. Através da expressão (2), o ksl convertido é de 139 MPa/m. Em seguida, estimou-se o ksl através de correlações estabelecidas por Terzaghi (1955) e De Mello (1971) de acordo com a Figura 15 e com a Tabela 2, respectivamente. Figura 15. Correlação proposta por Mello (1971) do ks1com o NSPT Tabela 2. Correlação proposta por Terzaghi (1955) do ksl com o tipo de solo Areias Fofa Med. Compacta Compacta faixa de valores (x 1000 kN/m³) 0,6 - 1,9 1,9 - 9,6 9,6 - 32 areia acima N.A. (x 1000 kN/m³) 1,3 4,2 16 areia submersa (x 1000 (kN/m³) 0,8 2,6 9,6 Por fim, estimou-se o ksl através da Teoria da Elasticidade pela relação com o módulo de elasticidade E na equiparação das equações de recalques de placa rígida em meio elástico homogêneo com o da placa em solo de Winkler que fornece a equação (3). �� = � 1 − �� 1 �� 1 � (3) 0,00 5,00 10,00 15,00 0 100 200 300 R ec a lq u e (m m ) Pressão (kPa) kv = coeficiente de reação vertical; E = módulo de elasticidade ou módulo de Young; υ = coeficiente de Poisson; Is = coeficiente de forma; B = dimensão da placa. Nas Figuras 16, 17 e 18 são apresentadas as estimativas do ksl realizadas para os locais de ensaio nº 01, nº 02 e nº 03, respectivamente. Figura 16. Estimativas do ksl para o local de ensaio n° 01 Figura 17. Estimativas do ksl para o local de ensaio n° 02 Figura 18. Estimativas do ksl para o local de ensaio n° 03 A Figura 19 mostra um gráfico comparativo entre as estimativas realizadas para os 3 locais de ensaio. Figura 19. Coeficientes de reação vertical (ksl) estimados para os locais de ensaio nº 01, 02 e 03 A partir da Figura 19, pode-se observar que as estimativas do ksl realizadas para o local de ensaio nº 01, tiveram maior variação. Já para os outros locais de ensaio nº 02 e nº 03, as estimativas realizadas para o ksl foram bastante próximas umas das outras. Pode-se atribuir esse comportamento do local de ensaio nº 01 aos menores deslocamentos obtidos na prova de carga direta em relação aos demais locais de ensaio. Na Figura 20, são apresentadas as estimativas de ksl realizadas apenas a partir dos ensaios de placa para todos os locais estudados. Figura 20. Comparação das estimativas dos coeficientes de reação vertical de todos os locais estudados Observa-se que a Av. Padre Antônio Tomás e o local de ensaio nº 01 são os solos mais rígidos com coeficientes de reação vertical (ksl) bastante superiores em relação aos demais. Nos demais locais, a faixa de valores foi muito próxima, variando apenas entre 16 e 40 MPa/m. Dessa forma, na Figura 21, relaciona-se o ksl estimado a partir das provas de carga como NSPT médio da porção mais superficial de solo de cada local de ensaio. Figura 21. Relação NSPT x ksl para os locais de ensaio estudados A partir do ajuste dos dados da Figura 21, foi possível estabelecer uma expressão que relaciona o ksl com o índice de resistência da sondagem a percussão (NSPT) dos solos arenosos de baixa compacidade de Fortaleza. A expressão de melhor ajuste foi obtida a partir de uma função exponencial sendo dada por: 139 13 14 15 0 50 100 150 Limitação de recalques Terzaghi (1955) Mello (1971) Teoria da Elasticidade k s 1 (M Pa /m ) 61 13 15 22 0 20 40 60 80 Limitação de recalques Terzaghi (1955) Mello (1971) Teoria da Elasticidade k s 1 (M Pa /m ) 16 13 14 14 0 5 10 15 20 Limitação de recalques Terzaghi (1955) Mello (1971) Teoria da Elasticidade k s 1 (M Pa /m ) 139 61 1613 13 1314 15 1415 22 14 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Local de ensaio nº 01 Local de ensaio nº 02 Local de ensaio nº 03 k sl ( M P a /m ) Limitação de recalques Terzaghi (1955) Mello (1971) Teoria da Elasticidade 139 61 16 32 140 30 40 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Local de ensaio n˚ 01 Local de ensaio n˚ 02 Local de ensaio n˚ 03 Rua Joaquim Lima Av. Pe. Antônio Tomás Rua Senador Pompeu Av. Pontes Vieira k s 1 (M Pa /m ) y = 3,8241e0,7798x 0 50 100 150 200 0 2 4 6k s1 x 10 00 (kN /m ³) NSPT ��� = 3,8241� �,����(� !") (4) Onde: ksl = coeficiente de reação vertical, para uma placa quadrada de 30,48 cm de lado, em MPa/m; NSPT = índice de resistência à penetração médio. Vale observar que a expressão (4) foi estabelecida para um tipo de solo em particular a partir de um número de informações limitado e para uma faixa de índice de resistência à penetração (NSPT) também restrito (1 a 5 golpes). Na sequência, os coeficientes de reação vertical obtidos no presente estudo foram inseridos no gráfico proposto por De Mello, 1971. Esses valores estão representados pelos pontos destacados na Figura 22. Figura 22. Inserção dos valores do coeficiente de reaçãovertical dos locais estudados no gráfico De Mello (1971) Pela Figura 22, observa-se que os valores do coeficiente de reação vertical estimados para os solos estudados (arenosos e de baixa compacidade de Fortaleza), estão quase sobre o limite superior da faixa de proposta por De Mello (1971). No entanto, pela mesma figura, observa-se que, em dois casos, os valores do ksl estimados situam-se acima do limite superior da faixa. Isso mostra que, em relação aos solos de Fortaleza, as estimativas realizadas para o coeficiente de reação vertical por métodos semi-empíricos a partir do NSPT de sondagens a percussão estão minorados, ou seja, os solos estudados são, na realidade, menos deformáveis do que o que é previsto através de correlações com índices de resistência à penetração. 6 CONCLUSÕES Os coeficientes estimados neste trabalho apresentaram valores no limite superior ou mesmo inseridos entre aqueles obtidos através de correlações. Em solos mais rígidos, foram observadas as maiores diferenças entre as estimativas realizadas e os valores das provas de carga direta. Isso mostra que ensaios de prova de carga direta podem indicar comportamentos divergentes aos previstos a partir de correlações com as sondagens a percussão. Foi possível, portanto, estabelecer uma expressão para estimar o ksl a partir de valores do NSPT para casos específicos de solos arenosos de baixa compacidade na cidade de Fortaleza. AGRADECIMENTOS À CAPES e à FUNCAP pelo apoio financeiro. Às empresas ROCHABRASIL, TECNORD, PROLAJE - Indústria de Pré-fabricados LTDA., TECHNO LTDA e ao IPREDE - Instituto de Promoção da Nutrição e do Desenvolvimento Humano. REFERÊNCIAS De Mello, V. F. B. The Standard Penetration Test. In: PANAMERICAN CONFERENCE ON SOIL MECHANICS AND FOUNDATION ENGINEERING, 4., San Juan, 1971. Proceedings...San Juan: PCSMFE, 1971. v. 1. p. 1-86 Niyama, S. Aoki, N. Chamecki, P. R. Verificação de desempenho. In: Fundações: Teoria e Prática. Ed. PINI Ltda. São Paulo, 1998. pp. 723- 751. Velloso, D. A.; Maria, P. E. L. S.; Lopes, F. R. Princípios e Modelos Básicos de Análise. In: Fundações: Teoria e Prática. Ed. PINI Ltda. São Paulo, 1998. pp. 163 – 196 Velloso, D. A.; Lopes, F. R. Fundações volume 1: Critérios de projeto, Investigação de subsolo, Fundações superficiais. Nova Edição. São Paulo: Oficina de Textos, 2004.
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