1-Aulas - Fundações - Introdução - Investigação do subsolo

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TURMA: ENGENHARIA CIVIL – 7º PERÍODO – 1º Semestre 2019
DISCIPLINA: FUNDAÇÕES e ESTRUTURAS DE CONENÇÃO
História
- Homens pré históricos – Abrigos em cavernas e depois em grotas escavadas (preocupação com o tipo de solo que se pode escavar).
- Gregos – As construções convencionais eram de madeira e vigas de pedra apoiadas em blocos de pedras naturais ou trabalhadas. Nas grandes obras (templos, palácios), em função das cargas maiores, eram executadas em grandes blocos de pedra superpostos, misturados com cascalho para preenchimento dos vazios. Substituíam solos frágeis por camadas de terra, misturadas com carvão e cinzas ou ainda calcário e pedregulhos. Em algumas situações usavam pequenas estacas de madeira cravadas
-Romanos que usavam grandes vãos (arcos, cúpulas e abóbodas), usavam uma espécie de concreto, feito com cinza vulcânica e pedaços de tijolos e pedras, tanto para as super estruturas como para as fundações. As fundações eram em geral contínuas, sob as paredes estruturais.
Também usaram estacas de madeiras cravadas para obras mais pesadas e em solos de baixa qualidade.
Estabeleceram normas para padronização da qualidade das construções em toda área de abrangência do território do império romano.
Vitrúvio - Estipulou em seu livro de arquitetura dimensões e processos construtivos para melhor comportamento das fundações das edificações, bem como cuidados a serem observados na execução das obras.
-Em 1450 Francisco Di Girgio projeta o primeiro bate-estaca.
-Séculos XVII e XVIII – Aprimoramento dos estudos das fundações em função do grande desenvolvimento das estradas e pontes.
Na França foram criadas escolas e se destacaram alguns pesquisadores:
-Vauban - Experiências que serviram de base para os primeiros estudos da mecânica dos solos;
-Gautier - Estudos sobre aterros;
-Benard Forest Belidor - Eng. Militar e professor, foi importante organizador dos conhecimentos produzidos pela engenharia da época. Tratou em seu livro sobre os empuxos dos solos, classificando-os;
-Godroy e Perronet estudaram arrimos e estabilidade de taludes;
-Lambert em 1772, tenta através de suas experiências, racionalizar o projeto de fundações de sapatas e estacas.;
-Charles Augustin Coulomb, é considerado o “inaugurador da mecânica dos solos como ciência”.
Em meados do século XIX, surgem três grandes nomes: 
Collin - estudou a coesão das argilas
Rankine - determinou os coeficientes de empuxos ativo e passivo
Darcy - estudou a percolação da água nas areias visando sua permeabilidade.
-Início do século XX – O Eng. Karl Terzaghi, considerado o “pai da mecânica dos solos”,sistematiza todo o conhecimento empírico desenvolvido até então. Em 1926 publicou o livro “Princípios das Mecânica do Solos”
-Em 1926 Artur Casagrande (pesquisador já respeitado), organiza o I Congresso Internacional de Mecânica dos Solos e Engenharia de Fundação, no qual acontece a inauguração da mecânica dos solos como ciência aplicada.
-Em 1926 o brasileiro Eng. Alberto Ortenblad, apresentou ao MIT sua tese de doutorado sobre a teoria matemática do adensamento de depósito de lama, que teve repercussão internacional.
-Final da década de 1920 - Criado no Brasil o laboratório de Ensaios de Materiais na USP, que em 1938 é transformado no IPT, onde é instalado um departamento voltado para a engenharia de solos e fundações.
Noções sobre a mecânica dos solos
Todos os grãos são derivados de rocha, que ao longo do tempo sofrem influências mecânicas, físicas e químicas, provocando sua deterioração, originando grãos cada vez menores. Essa variedade nas dimensões nas partículas do solo atribui a ele diversas características que constituem as propriedades de cada tipo.
Os tipos de solo podem ser classificados, inicialmente, em função do diâmetro das partículas que o compõem, apresentando diferentes denominações.
 Ø dos grãos do solo________________ _ _ (
Rocha sã Matacão Pedra Areia Silte Argila
Argila - Solo que apresenta menor diâmetro do grão inferior a 0,002mm, podendo chegar a 0,000001mm.
Silte - Grão acima de 0,002mm até 0,075 mm.
Areia - Grão acima de 0,075mm até 2mm.
Pedregulho - Grão acima de 2mm até 5cm.
Pedra - Acima de 5cm até 400 cm (ou mais).
Matacões - Pedras de grandes diâmetros solto no meio do solo.
Rocha Sá - Rocha que não sofreu nenhuma deterioração natural.
Tipos de rocha
As partículas do solo dependem sempre do tipo de rocha que as originou.
O quartzo, presente na maioria das rochas, é um material muito resistente á decomposição e gera os siltes e as areias (materiais de maiores grãos). Os feldspatos- os mais desagregáveis – são responsáveis pela formação das argilas. As argilas apresentam variadas formas de composição química, o que determina comportamentos diferentes, como a maior ou menor capacidade de absorção de água.
Ensaios para classificação dos solos
Análise granulométrica – Classificação pelo tamanho dos grãos através do ensaio das peneiras (não é possível para os grãos muito finos).
Ensaio de sedimentação – É usado para os grãos muito finos, pela impossibilidade prática de se obter peneiras com aberturas muito pequenas. Baseado na lei de Stokes, pelo qual a velocidade de queda de partículas em um meio viscoso é proporcional ao quadrado do diâmetro da partícula.
Denominações dos solos
Dependendo da porcentagem em peso de cada tipo de solo encontrado na mistura, dá-se a ela uma denominação.
 DENOMINAÇÕES DOS SOLOS
	AREIA (%)
	SILTE (%)
	ARGILA (%)
	DENOMINAÇÃO
	80-100
	0-20
	0-10
	Areia
	0-20
	80-100
	0-20
	Silte
	0-50
	0-50
	50-100
	Argila
	50-80
	0-50
	0-20
	Areia siltosa
	40-80
	0-40
	20-30
	Areia argilosa
	0-40
	40-70
	0-20
	Silte arenoso
	0-30
	40-80
	20-30
	Silte argiloso
	30-70
	0-40
	30-50
	Argila arenosa
	0-30
	20-70
	30-50
	Argila siltosa
INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO – SONDAGENS (NBR 6484)
Importância
Fornece dados para a escolha correta do tipo de fundação e seu dimensionamento, bem como previne “acidentes”, tais como a existência de água, matacões e de vazios que possam influenciar o próprio processo construtivo.
Objetivo
É um procedimento que objetiva conhecer as condições naturais do solo, visando reconhecer seu tipo, características físicas e principalmente sua resistência. Também possibilita a determinação da profundidade do lençol freático (água no subsolo).
Tipos de sondagens
1-Sondagens superficiais
São utilizadas para o primeiro e generalizado reconhecimento de uma região.
-Fotos tiradas por aviões ou satélites
-Requer conhecimentos especializados na interpretração dos resultados, pois as pistas são sempre a topografia e vegetação do local. Não são processos precisos. Não são indicados para a determinação de algumas características do solo, principalmente sua resistência mecânica.
-Resistência elétrica
-usam-se eletrodos colocados na superfície do solo, através dos quais faz-se passar corrente elétrica, medindo-se a resistividade do solo, medida esta que dá uma idéia do tipo de solo. Por exemplo, as rochas apresentam grande resistividade.
-Processo sísmico
-Baseia-se a na determinação da velocidade de propagação de ondas vibratórias no solo. Sabe-se que quanto maior a densidade do material maior é a velocidade de propagação.
2-Sondagens profundas
Propiciam conhecimento mais preciso das condições do solo.
-Poços escavados
-Permitem uma análise visual in loco das camadas dos solos e da forma como elas se distribuem e também a obtenção de amostras indeformadas do solo. As amostras são envoltas em parafina, para não perder a umidade natural, permitindo obter informações muito precisas sobre as características do solo.
-Ensaio de penetração normal ou SPT (Standard Penetration Test)
-Não é o mais preciso, mas é o mais comumente usado no Brasil e no mundo. Devido aforma de como é executado, é também conhecido como sondagem a percussão.
-É um processo de sondagem padronizado internacionalmente, de forma que seus resultados podem ser interpretados por todos que conhecem o método.
-A sondagem é realizado por um equipamento composto de um tripé (que as vezes tem quatro pernas), do qual se deixa cair de uma altura padrão de 75 cm, um peso, também padrão de 65 kg. O peso faz penetrar no solo um tubo de aço padronizado (Amostrador Terzaghi). O amostrador tem 2” de diâmetro e 1 3/8” de diâmetro interno e é fixado em uma haste de 1” que vai sendo emendada por rosqueamento de acordo com a profundidade da sondagem. Esse amostrador é constituído de duas meias-canas, que podem ser abertas para visualização do solo retido.
-Informações obtidas com o ensaio de penetração:
 -o tipo de solo;
 -a resistência do solo;
 -a consistência do solo (argilas);
 -a compacidade do solo (areias);
 -o nível do lençol freático (é a porção de água que se movimenta livremente no solo).
-O furo é inicialmente aberto com o auxílio de uma cavadeideira.
-Após a abertura de um furo de 1m de profundidade, o amostrador tem sua ponta apoiada no fundo do furo. A partir daí tem início os procedimentos padronizados: o peso é lançado sobre o amostrador e consta-se a quantidade de golpes necessários para cravá-lo a uma profundidade de 45 cm, contando-se intermediariamente o número de golpes para cada 15 cm. Interessa como resultado o número de golpes dos últimos 30 cm de cada metro perfurado. Esse valor tem o nome de SPT. A cada metro perfurado, são retiradas amostras do solo retidas dentro do amostrador. Com essas amostras o solo recebe uma classificação visual, identificando-o quanto a granulometria. Prosegue-se a sondagem cravando os pré-furos (na profundidade de um metro, antes de cravar o amostrador) com um trado rotativo (broca).
-Quando o material a ser atravessado já não apresenta coesão ou está abaixo do nível da água, o trado não consegue mais cavar e a abertura do pré furo passa a ser feita mediante a circulação de água, procedimento denominado avanço por percolação de água. Retira-se o amostrador, substituindo-o por uma ferramenta denominada trépano. O avanço na perfuração é obtido pela injeção de água, que amolece o solo, e pela rotação do trépano.
-Quando o solo a ser atravessado for instável usa-se um tubo de revestimento de diâmetro 2 ½”.
-Sempre que se detectar a presença do lençol freático, deve-se esperar que o nível de água se estabilize para medir e anotar a sua profundidade (anotar também a data para acompanhar oscilações ao longo do ano). 
-Após o término da sondagem, é determinada a cota do furo em relação a um nível de referência fixo.
-Todas as informações são colocadas sob forma de uma planilha denominada perfil de sondagem.
O perfil de sondagem é graduado de metro em metro. Nele são colocados o nº de golpes a cada 15 cm, de um total de 45 cm penetrado pelo amostrador. Alguns perfis de sondagem apresentam diretamente o nº de golpes para os últimos 30 cm (SPT para o qual se poderá determinar a resistência do solo).
-SPT-T
-Para complementar a sondagem a percussão, foi introduzido (a partir de 1988) o procedimento de medição do torque necessário para girar a haste do amostrador padrão. A medição do torque é feita a cada metro de sondagem por meio de um torquímetro que é girado manualmente e é feita a leitura do valor máximo de torque exigido para a rotação do amostrador.
-Vantagens do SPT-T:
-Obtenção através do momento de torque um valor Nequivalente (Neq = TR/1,2), alcançando-se com isso valores de resistência mais independentes da estrutura local do solo;
-Estabelecer relações diretas com o atrito unitário das estacas e atrito direto entre o amostrador e o solo, sendo TR o valor do torque aplicado ao amostrador em kgfm;
-Identificação da existência de pedregulho dentro da camada de areia, o que aumenta muito o valor do SPT convencional, originando interpretação errada da compacidade da areia.
Identificação de solos colapsíveis
-Solos colapsíveis apresentam valores de índice de torque iguais ou superiores a 2,5. Chama-se índice de torque a relação entre o valor do torque medido em kgfm e o valor do SPT (N).
-O objetivo final desse tipo de procedimento é melhorar a qualidade das informações da sondagem a percussão.
Determinação da resistência do solo em função do SPT
Existem várias maneiras de relacionar os números do SPT, obtidos na sondagem a percussão, com a resistência do solo. Uma maneira rápida é o uso da fórmula empírica:
 σadm=√N -1 (kgf/cm2) 
onde: σadm - tensão admissível a compressão do solo (taxa do solo) 
 N - nº de golpes para penetrar os últimos 30 cm (ou SPT)
A falha desta relação é não levar em conta o tipo de solo, pois apesar de o SPT em uma areia ser maior que em uma argila, devido ao atrito com o amostrador na penetração, sua resistência pode ser menor.
Outras fórmulas semi empíricas que levam em conta o tipo de solo, o que lhes confere um caráter mais preciso são:
M. C. Moraes (Marcelo da Cunha Moraes)
Argila pura: σadm= N/4 (kgf/cm2) ou σadm= N/40 MPa
Argila siltosa: σadm= N/5 (kgf/cm2) ou σadm= N/50 MPa
Argila areno siltosa: σadm= N/7,5 (kgf/cm2) ou : σadm= N/75 MPa
Areia: σadm= N/8 (kgf/cm2) ou σadm= N/80 MPa
W. L. Costa
Solos pedregulhosos: σadm= N/3 (kgf/cm2) ou σadm= N/30 MPa
Solos arenosos siltosos: σadm= N/4 (kgf/cm2) ou σadm= N/40 MPa
Solos argilosos: σadm= N/5 (kgf/cm2) ou : σadm= N/50 MPa
-Classificação dos solos em função do SPT
 
 
 
 TABELA DO IPT
	TIPO DE SOLO
	Nº DE GOLPES (SPT)
	TAXA DO SOLO (kgf/cm2)
	
 Areia e silte
	0 a 4
5 a 8
9 a 18
19 a 40
	0 a 1
1 a 2
2 a 3
≥3
	
 Argila
	0 a 2
3 a 5 
6 a 10
11 a 19
≥19
	0 a 0,25
0,5 a 1
1,5 a 3
3 a 4
≥4
Para valores intermediários deve-se fazer a interpolação.
Exemplo: N = 8 para um argila, σadm =1,5+ (1,5/4)x2 = 2,25 kgf/cm2
-Na natureza é muito difícil encontrar solos puros, principalmente argila e silte. Então adota-se para a classificação da tabela, o solo predominante. Por exemplo, se a classificação do solo indicar uma argila silto-arenosa, adota-se argila..
Sondagem a penetração estática - CPT
A sondagem CPT (Cone Penetration Test), também recebe o nome de Sondagem com Cone Holandês, por ter sido desenvolvida na Holanda na década de 1930.
O equipamento consta de hastes emendáveis que apresentam em sua ponta um cone com ângulo de 60° e uma área de 10 cm2. A sondagem é feita usando-se tubo de revestimento. A penetração do cone é continua, a uma velocidade de 1cm/s. O esforço necessário para penetração do cone no solo é registrada continuamente, A ponteira tem sensores e instrumentos elétricos para medir tanto a resistência de ponta quanto a resistência lateral. 
-Vantagem
Os resultados são apresentados ao longo de toda profundidade da sondagem (SPT só os últimos 30 cm). O cone é elétrico e os resultados são registrados em um gráfico simultaneamente à execução da sondagem.
-Desvantagens
-Existe uma possibilidade de desvio do cone durante a penetração no solo, A norma brasileira recomenda a utilização de um inclinômetro (aparelho que mede ângulos) para profundidades acima de 25 m.
-Os resultados não são muito satisfatórios quando a sondagem é realizada em argilas muito moles.
-Relação entre os resultados do CPT e SPT
-Se a opção for pelo CPT, deve fazer a conversão para o SPT para determinar a resistência do solo usando as fórmulas e tabelas usuais.
-A tabela abaixo proposta por Danzinger e Velloso,fornece os valores de K, que relaciona o número de golpes do SPT(N) à resistência de ponta do cone (qc), fornecida pela sondagem CPT.
N = qc / K , sendo qc em MPa
	 TIPO DE SOLO
	 K
	Areia
	0,60
	Areia siltosa – areia argilosa- areia com argila e silte
	O,53
	Silte – silte arenoso – argila arenosa
	0,48
	Silte com areia e argila – argila com silte e areia
	0,38
	Silte argiloso
	O,30
	Argila – argila siltosa
	O,25
-Para determinar a Taxa do Solo (σadm) diretamente dos valores de qc, usa-se as relações:
 
 σadm= qc /10 (MPa) – no caso de fundações diretas em argila
 σadm= qc /15 (MPa) – no caso de fundações diretas em areia
-Para as argilas a partir da taxa do solo, pode-se obter o valor aproximado de sua coesão (C)
 
 C= σadm / 2
Sondagens em rochas – Sondagem rotativa
-Para materiais impenetráveis a percussão, tais como matacões e rochas sãs e alteradas, é usado um equipamento denominado coroa amostradora. Nessa coroa são fixados pequenos diamantes ou pedras de vídia. Este tipo de amostrador permite a obtenção de amostras de rocha para sua classificação. São usadas brocas com diâmetros entre 30 e 76 mm.
 -Na sondagem rotativa deve-se aprofundar o amostrador pelo menos 4 metros, para se ter certeza de que não se trata de um simples matacão.
Determinação do número de sondagens
O número de sondagens é em função da área de projeção da edificação (A).
-Para A ≤ 200 m2 - 02 sondagens
-para 200m2 ≤ A ≤ 400m2 - 3 furos
-Para A ≤ 1200 m2 - uma sondagem a cada 200 m2
-Para 1200m2 ≤ A ≤ 2400m2 – uma sondagem, para cada 400 m2
-Para A≥ 2400 m2 - Engenheiro especialista que determina
-A distancia mínima entre os furos deve ser de 8m e a máxima de 25m.
Profundidade da sondagem
-A profundidade da sondagem precisa ter relação com os resultados que estão sendo obtidos. A Norma estabelece o critério de que a profundidade da sondagem depende das cargas e das dimensões da edificação:
 H = C x B sendo H - profundidade da sondagem
 C - relação entre o peso da construção e a área de sua projeção (carga média do edifício 
 sobre o solo)
 B - largura menor do retângulo de maior área que envolve a construção
-Na prática usa-se o critério baseado no valor de N, interrompendo a sondagem quando num crescendo N atingir 35 a 45 golpes (devendo ter a certeza de não estar atravessando uma região particular de solo de grande atrito sobre solos de baixa resistência).
Exercícios
1)Determinar a resistência do solo a 2 m de profundidade, usando fórmulas empíricas e a tabela.
 N Tipo de solo
	6
	
 
Argila siltosa
	9
	
	11
	
	14
	
 
Areia argilosa
	15
	
	19
	
	24
	
 Areia média
	28
	
Solução
a)Fórmula empírica
 Para h= 2 m ( N=9 
 σadm= νN - 1 (ν9 - 1 = 2,0 kgf/cm2
 ou
b)M. C. Moraes 
Argila siltosa: σadm= N/5 (kgf/cm2) ou σadm= N/50 MPa 
 ( σadm= 9/5 = 1,8kgf/cm2 ou σadm= 9/50 = 0,18 MPa
2)Em uma obra que utilizará sapata, foi realizada uma sondagem em um solo argiloso pelo 
 método de sondagem CPT. O valor da resistência de ponta (qc) encontrado foi de 2,2 Mpa. 
 Qual o valor do SPT (N)?Qual a tensão admissível (σadm)?
Solução
N= qc / K Tabela: K =0,25 (argila) ( N= 2,2 / 0,25 = 8,8 (N= 9
Argila: σadm= qc /10 (MPa) ( σadm= 2,2/10 = 0,22 MPa ou 2,2 kgf/cm2
3)Determinar o número de sondagens para uma obra cuja projeção seja 2.000 m2.
Solução
-até 1.200m2, uma sondagem para cada 200m2 (6 sondagens
-de 1.200 até 2.000m2 (1 sondagem para cada 400m2
 2000 – 1200 = 800 m2 / 400 ( 2 sondagens
 Total: 8 sondagens
Outros ensaios in situ
- Ensaio da palheta (Vane Test)
É utilizado para caracterizar argilas moles (uso limitado). A resistência não drenada da argila é obtida admitindo-se que a ruptura se dá na superfície do cilindro de diâmetro d e altura h. O torque ou momento M é medido. O aparelho é composto de torquimetro, haste e palheta.
- Ensaio de Dilatômetro (DMT)
O dilamômetro é cravado no terreno da mesma forma que o cone estático no ensaio CPT e, na profundidade desejada, recebe ar comprimido até que sua membrana passe da condição de repouso (a membrana sob ação da cravação sofre deslocamento e expande 1 mm), quando então são registradas as pressões correspondentes.
É usado para caracterizar tanto argilas como areias. 
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