Influência da sucção na capacidade de carga de estacas instaladas em solo colapsível: uma revisão bibliográfica.

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Influência da sucção na capacidade de carga de estacas instaladas em solo colapsível: uma revisão bibliográfica. 
Oliveira, M. Q.
Universidade Federal de Goiás, Goiânia, Goiás, Brasil, eng.mqueiroz@gmail.com
Santos, H. O.
Universidade Federal de Goiás, Goiânia, Goiás, Brasil, hebert_oliveras@hotmail.com
Resumo: O estudo do comportamento de estacas quando o solo tem sua umidade alterada é de extrema importância para a engenharia de fundações. Esse comportamento deve ser levado em consideração para os cálculos do fator de segurança principalmente das obras com o potencial de inundação. Diante disso, realiza-se ensaios de prova de carga com o solo no estado natural e inundado com o intuito de comparar as variações de capacidade de carga. Este trabalho apresenta uma revisão bibliográfica sobre estudos já realizados em ensaios de prova de carga em solos inundados, abordando a sucção no solo, sua variabilidade, solos colapsíveis e a consequência de sua inundação e aspectos característicos do ensaio, bem como processos de inundação e aplicação de carga. Este estudo realiza uma análise comparativa dos vários resultados.
Abstract: The study of the behavior of piles foundation when the soil is in altered moisture is of extreme importance for professionals of the area. This behavior must be taken into account for safety calculations, mainly in constructions with the potential of flooding. In the face of this, load tests with the soil in the natural state and flooded soil are carried out in order to compare the variations in bearing capacity of piles foundation. This paper presents a literature review of studies carried out on load tests utilizing flooded soils. It addresses matric suction of the soil, its variability, collapsible soils and the consequence of its flooding, as well as characteristic aspects of the test, such as flooding processes and load application. This study achieves a comparative analysis of the various results.
Palavras-chave: prova de carga; inundação; solo colapsível; capacidade de carga.
Keywords: load test; flood; collapsible soil; bearing capacity. 
INTRODUÇÃO
A mecânica dos solos tradicional foi embasada nos conceitos de Terzaghi, conceitos tais que foram desenvolvidos tomando como verdade que o solo é saturado. Isso é justificável pelo fato de que avanços geotécnicos só aconteciam em regiões de clima temperado (onde solos saturados são a maioria absoluta).
No entanto a superfície terrestre apresenta grandes áreas que fogem desta verdade. Regiões denominadas como áridas, semiáridas e tropicais apresentam taxa de evaporação maior que a de precipitação, desenvolvendo camadas, desde finas a muito espessas, de solos não saturados.
As fundações das obras de engenharia nessas regiões irão atravessar ou estar totalmente inseridas nas camadas não saturadas. Portanto é de extrema importância o estudo do comportamento deste solo, não somente em seu estado não saturado inicial, mas também assumindo que sua umidade pode variar ao longo de sua vida útil, seja por eventos meteorológicos ou por intervenções humanas.
A água no interior do solo não saturado apresenta pressão negativa, gerando, através da película contrátil (formada pela tensão superficial da água) forças de agregação entre as partículas, ou seja, sucção.
SUCÇÃO
A sucção atua como uma força confinante que confere ao solo maior resistência, porém é diretamente ligada à umidade do solo, que como citado anteriormente pode oscilar por variáveis externas. Assim, para um estudo da resistência ao cisalhamento dos solos não saturados, deve-se considerar a presença de sucção, o que gera uma previsão mais próxima da situação real no comportamento em campo.
Definida por Marinho (1997), a sucção é a pressão isotrópica da água intersticial, fruto de condições físico-químicas, que faz como que o sistema água/solo absorva ou perca água, dependendo das condições ambientais, aumentando ou reduzindo o grau de saturação. A sucção pode ser entendida então, como a pressão responsável por reter ou eliminar a água do solo.
A sucção total do solo é representada como a soma de dois tipos de sucção, a matricial e a osmótica. A sucção matricial (ou mátrica) é definida como a pressão negativa da água intersticial devido aos efeitos da capilaridade e das forças de adsorção, sendo dependente do tipo de partículas e do arranjo estrutural do solo. Quando a sucção ocorrer devido à modificação da concentração de solutos na água intersticial, é denominada sucção osmótica e associada à pressão parcial do vapor de água em equilíbrio com a água livre.
Fredlund (1993) confirma que apenas a sucção matricial é suficiente para descrever o comportamento mecânico do solo na condição não saturada. 
O aumento de sucção no solo gera um aumento na resistência ao cisalhamento do solo, visto que a sucção atua gerando uma rigidez no solo por agrupar as partículas sólidas. A Figura 1 apresenta pela envoltória de ruptura a relação tensão cisalhante versus sucção, quanto maior a umidade do solo consequentemente menor sua resistência.
Sazonalidade
O mais importante fator de variação da umidade do solo é o regime pluviométrico da região. O centro oeste brasileiro se caracteriza por ter seu regime definido, de forma clara, em dois períodos do ano, chuvoso de outubro a março e seco de abril a setembro.
A variação dos teores de umidade e grau de saturação ocasionados pelas épocas distintas de regime pluviométrico no decorrer do ano, resultam em uma grande variação de sucção ao longo do perfil de solo. A Figura 2 apresenta perfis de umidade natural determinados em diferentes épocas do ano para o Campo Experimental em Geotecnia da Universidade de Brasília (UnB).
Percebe-se que as maiores variações de umidade ocorreram nos três metros de profundidade iniciais do perfil do solo. As variações do nível do lençol
Figura 1. Envoltória estendida de Mohr-Coulomb (FREDLUND & RAHARDJO, 1993) - Adaptada pelo autor.
Figura 2. Perfis de umidade (GUIMARÃES, 2002 e MASCARENHA, 2003).
freático também se tornam relevantes, como visto a partir de nove metros de profundidade.
A dinâmica da sucção, além das variações sazonais, também está relacionada às diferentes curvas características de retenção de água ao longo do perfil do solo. As curvas características de retenção de água do perfil de solo da Figura 2 são apresentadas na Figura 3.
Figura 3. Curvas características de retenção de água obtidas para o perfil de solo analisado (GUIMARÃES, 2002).
Com base nos perfis de umidade natural e nas curvas características de retenção de água, os perfis de sucção do solo podem ser obtidos. As grandes variações de umidade natural nos três primeiros metros proporcionam grandes variações de sucção nessa zona ativa do solo, conforme demonstrado na Figura 4.
Sendo assim, o profissional que se atenta a tais variações e que considera a sucção, presente em solos não saturados, para estimar a capacidade de carga do 
Figura 4. Perfis de sucção (GUIMARÃES, 2002 e MASCARENHA, 2003).
solo utilizado, produzirá um projeto fidedigno com a realidade da obra.
Como consequência, o projeto será mais eficiente, como salienta Sales et al. (2015, p. 652) “Se a dinâmica da sucção for bem utilizada em projetos de fundações, ela pode ocasionar economia e maior segurança no dimensionamento de estacas”. 
Camapum de Carvalho et al. (1995) citado por Mascarenha (2003) verificaram que no Distrito Federal, apesar das maiores variações de grau de saturação ocorrerem apenas nos três primeiros metros do perfil de solo (35%), a inundação provoca uma considerável redução na capacidade de carga de estacas.
Solos colapsíveis
O estudo do comportamento de solos colapsíveis se torna fundamental para projetar, com segurança, fundações em regiões bastante intemperizadas, com grandes variações sazonais e com ocorrência desse tipo de solo.
Eles são bastante frequentes no Brasil, na região centro-oeste ganha destaque a região do planalto central brasileiro noDistrito Federal. 
Quando esse tipo de solo é submetido a inundações, por intermédio de intensos períodos chuvosos, vazamentos em dutos de água e reservatórios, ineficiência do sistema de drenagem urbana, e outros, podem apresentar uma deformação gerada pela brusca redução do índice de vazios, ocasionando recalques das fundações das edificações nele construídos.
Segundo Pinto (2006), solos colapsíveis “são solos não saturados que apresentam uma considerável e rápida compressão quando submetidos a um aumento de umidade sem que varie a tensão total a que estejam submetidos”. O colapso se dá pela destruição dos meniscos capilares, responsáveis pela tensão de sucção. O aumento de umidade pode, também, causar um amolecimento do cimento natural que mantinha as partículas e as agregações de partículas unidas.
Fredlund & Rahardjo (1993) afirma que a redução da sucção matricial é uma das maiores causas da ocorrência de colapso. As partículas do solo apresentam um tipo de estrutura aberta, com grandes espaços de vazios que originam uma estrutura metaestável.
A Figura 5 apresenta a superfície constitutiva típica de um solo colapsível, onde é possível perceber o comportamento deste quando a uma dada tensão aplicada existe queda no valor de sucção, molhagem, e por consequência uma notável diminuição do índice de vazios, colapso.
Figura 5. Superfície constitutiva de solo colapsível (FREDLUND & RAHARDJO, 1993).
Além da redução da sucção existente no solo e a presença de uma estrutura metaestável, Barden et al. (1973) cita que o aumento da tensão externa aplicada ao solo, em grau suficiente para destruir sua estrutura, também está associado ao colapso de solos não saturados.
Jennings & Knight (1957), por meio de resultados do ensaio duplo de adensamento, onde é conduzido, paralelamente, dois ensaios de adensamento: um a teor de umidade natural e outro com a amostra inundada antes do primeiro carregamento, calculam um potencial de colapso (PC). Os cálculos também podem ser realizados com resultados do ensaio edométrico simples. 
Na Tabela 1, são apresentadas as classificações propostas indicando a gravidade dos problemas nas edificações.
Tabela 1. Classificação da colapsibilidade em obras de engenharia a partir de resultados de ensaios edométricos simples (SALES et al., 2015) - Adaptada pelo autor.
	Jennings & Knight (1975)
para tensão de inundação de 200 kPa.
	PC (%)
	Gravidade dos Problemas
	0 a 1
	Sem problema
	1 a 5
	Problema moderado
	5 a 10
	Problemático
	10 a 20
	Problema grave
	> 20
	Problema muito grave
PROVA DE CARGA ESTÁTICA
A prova de carga estática é uma das técnicas mais consolidadas para determinação da capacidade de carga de uma estaca. Regulamentada pela NBR 12131 (ABNT, 2006), ela consiste na aplicação de esforços estáticos crescentes na estaca de sacrifício, com a medição concomitante dos deslocamentos sofridos por esta. 
Com o intuito de estudar o efeito da variação da sucção, a metodologia mais utilizada é a realização de ensaios com e sem inundação da região que envolve o elemento estrutural de fundação.
Processos de inundação
O processo de inundação aplicado para realização do ensaio terá grande impacto nos resultados. Existe grande variedade de processos que foram utilizados por diferentes pesquisadores até então. Como Donaldson (1967) pioneiro em descrever método com uso de furos diametrais ou Nadeo & Videla (1975) que compararam o uso de tubos perfurados para tal inundação, entre tantos outros.
Sales (2000) apresenta em seu trabalho os mais expressivos:
(A) – inundação através de uma cava em torno do elemento de fundação;
(B) – inundação através de furos verticais próximos à fundação; 
(C) – combinação dos métodos anteriores.
Sales (2000) ainda ressalta que o processo (C) é o que provocará uma maior alteração no grau de saturação do solo, atingindo maior profundidade de molhagem. Porém o processo (A) se assemelha mais a fatos recorrentes em obras reais, como grandes chuvas, ruptura de tubulações de água, vazamentos em reservatórios, entre outros que provocam acumulação localizada de água.
Correlato com o tipo de inundação está o tempo que o solo será exposto a ela. Quanto maior o tempo maior será a quantidade de solo afetado. É comum na literatura encontrar trabalhos que utilizaram esse tempo entre 48 e 72 horas.
Aplicação da carga
As provas de carga podem ser realizadas de diferentes formas com relação à aplicação dos esforços. Os métodos podem ser agrupados em três grupos:
Grupo I: Feito a prova de carga sob condições do solo natural, determina-se a capacidade de carga última da fundação (Qu). O elemento é descarregado e recarregado em seguida até sua carga de trabalho (30 a 50% de Qu). Nesse momento inicia-se a inundação analisando a ocorrência ou não de colapso;
Grupo II: Assemelha-se ao procedimento do grupo I, difere-se apenas que depois do solo inundado, se não sofrido colapso prossegue-se com o acréscimo de carga até que aconteça, determinando então a carga correspondente ao colapso do solo “Qc”. 
Grupo III: É realizado uma prova de carga sob condições naturais do solo e uma outra prova de carga, em outro elemento, com o solo previamente inundado.
A Figura 6 apresentada por Cintra et al. (1997), traz a metodologia aplicada pelos três grupos citados anteriormente. Analisando-a percebe-se que os dois primeiros grupos apresentam uma curva carga-recalque descontínua quando atingem o colapso. Enquanto o terceiro grupo apresenta curvas distintas sem a descontinuidade do colapso. Cintra et al. (1997) também comenta que este último método se apresenta como o mais adequado por ser mais fácil de executar e apontar a mesma carga “Qc”.
RESULTADOS ANALISADOS
A comparação de resultados obtidos por várias pesquisas com ensaios inundados em solos diferentes é de extrema relevância para o desenvolvimento do conhecimento sobre como o efeito da sucção influencia na capacidade de carga.
Um grande problema que se apresenta na comparação de resultados por autores diferentes é a escolha destes de reensaiar a mesma estaca ou usar duas estacas distintas, mas relativamente próximas.
Ambos os métodos apresentam vantagens e desvantagens. Em ensaios com estacas reensaiadas é possível garantir as mesmas propriedades do solo ensaiado, não estando sujeitas a variabilidade natural do solo, além das oscilações em variáveis externas ao solo (material, dimensões e processo de instalação da estaca).
Por outro lado, tem-se a desvantagem de solicitar o solo em seu estado não natural, ou seja, o solo não apresentará o mesmo atrito lateral com a estaca por ter sua estrutura alterada, também diferente carga de ponta por consequência de um solo já comprimido. Este trabalho focou em ensaios reensaiados.
Figura 6. Provas de carga, a) Grupo I b) Grupo II c) Grupo III (adaptado de CINTRA et al., 1997).
A Tabela 2 apresenta uma coletânea de resultados de provas de carga com carregamento vertical em solos colapsíveis brasileiros, demonstrando a redução da capacidade de carga sob influência da inundação dos solos.
Como pode-se notar pela tabela produzida por Sales et al. (2015), a inundação dos solos ensaiados provoca redução na capacidade de carga que o solo a confere.
Outros trabalhos não citados nela também chegam às mesmas conclusões, como o de Teixeira (1993), que verificou diminuição na capacidade de carga na ordem de 28 – 34% e Mascarenha (2003), com variações de até 62,5% da capacidade de carga de uma estaca.
Holtz & Gibbs (1953) também chegaram a conclusões interessantes em seu trabalho, perceberam que estacas imersas em solos colapsíveis, mas apoiadas em camada não colapsível, apresentam boa capacidade de carga e que a prévia inundação do solo faz com que a estaca apresente melhor resultado sob carga.
Além da variabilidade das reduções é importante tomar nota de algumas interpretações. O processo de inundação (C) apresenta, em média, maiores valores de perda de carga quando comparado ao processo (A). Podendo-se assimpresumir que o processo (C) é mais eficiente na molhagem.
Em média os tipos de prova de carga I e II apresentam valor muito próximos de redução, não sendo assim sensato afirmar qual dos dois proporciona uma redução de carga mais elevada.
Por último, analisando o tempo de inundação com qual cada ensaio foi submetido, pode-se aferir que (para grandezas de profundidade semelhantes às apresentadas) resultados satisfatórios serão encontrados se utilizado aproximadamente 24 horas de inundação, visto que as maiores reduções de capacidade foram encontradas para os tempos de 10, 15, e 24 horas. 
Mas como explicar a perda de carga desses elementos estruturais quando em contato com a inundação? 
A primeira resposta, e a mais acertada, é correlacionar a perda de capacidade de carga à colapsividade do solo estudado, visto que na Tabela 2 todos os elementos de fundação se encontram totalmente imersos na camada colapsível do solo.
Mas o fator colapsível do solo é o responsável por todo esse efeito?
Estudos como o de Skempton (1959), correlacionam a resistência ao cisalhamento de argilas com o aumento de umidade apresentando uma queda de resistência. Um solo não colapsível como o de Skempton também sofre com a perda de sucção consequente do aumento de umidade.
Mohan & Chandra (1961), também concluíram que a adesão das argilas diminui com o aumento do
teor de umidade e constataram ainda uma tendência de migração de água pela a interface solo-estaca.
Interessante destacar este fato, “a interface estaca-solo cria um caminho preferencial de percolação, o que facilita a inundação exatamente na região mais crítica, promovendo a lubrificação do contato estaca solo” (SALES, 2000, p.65).
Portanto, apesar da colapsividade do solo ser o parâmetro mais influente na redução da capacidade de carga, percebe-se que existem outros fatores atenuantes.
Tabela 2. Coletânea de resultados (adaptado de SALES et al., 2015).
	Autor
	Tipo de Fundação
	Tipo de Prova de carga
	Processo de Inundação
	Tempo de Inundação (h)
	Reensaio
	Redução na capacidade de carga
	Carvalho e
Souza (1990)
	Estaca escavada L=6 m, D=0,25 m
	I
	A
	10
	sim
	67%
	Silva (1990)
	Estaca broca, L=6 m, D=0,25 m
	II
	C
	24
	sim
	77%
	Silva (1990)
	Estaca broca L=6 m, D=0,25 m
	I
	C
	15
	sim
	71%
	Lobo et al. (1991)
	Estaca escavada L=2-6 m, D=0,25 m
	I
	C
	48
	sim
	35 - 43%
	Lobo et al. (1991)
	Estaca apiloada L=2-6 m, D=0,25 m
	I
	C
	48
	sim
	23-35%
	Fernandes (1995)
	Estaca broca L=6 m, D=0,25 m
	II
	A
	>48
	sim
	32%
	Fernandes (1995)
	Grupo 2 estacas L=6 m, D=0,25 m
	II
	A
	>49
	sim
	42%
	Fernandes (1995)
	Grupo 3 estacas L=6 m, D=0,25 m
	II
	A
	>50
	sim
	26 - 30%
	Fernandes (1995)
	Grupo 4 estacas L=6 m, D=0,25 m
	II
	A
	>51
	sim
	25%
CONSIDERAÇÕES FINAIS
É fato incontestável que o aumento de umidade produz perca de resistência ao cisalhamento dos solos. Isto ganha notabilidade nos casos específicos em que os solos são inundados, visto que há uma evolução contínua da umidade natural de forma que os parâmetros de resistência são afetados produzindo óbvios prejuízos a capacidade de carga das fundações profundas.
Após revisão da literatura e de trabalhos que se preocupam com a inundação e perda de capacidade de carga percebe-se que o processo de inundação, o tipo de instalação e o uso de reensaio são fatores determinantes para os resultados obtidos.
É importante destacar também a relevância de estudos como este, visto que, obras em que existe previsão de uma potencial inundação será necessário o estudo de sua redução de carga caso ocorra tal inundação, de forma que seja previsto um fator de segurança mais convincente.
REFERÊNCIAS
Associação brasileira de normas técnicas (ABNT) (2006) NBR 12131: Estacas – Prova de carga estática. Rio de Janeiro. 
Barden, L., McGown, A. & Collins, K. (1973) The collapse mechanism in partly satured soil. Engeneering Geology,7: 49-60.
Camapum de Carvalho, J., Mello, A. C., Santos Neto, P. M., Silva, C. M. (1995) Considerações sobre provas de carga em estaca em solos colapsíveis com inundação. Encontro sobre solos não saturados, Porto Alegre, RS. 159-172
Cintra, J. C.; Albiero, J. H. & Vilar, O. M. (1997). Pile load on colapsible soil: Conclusion and Recommendation, XIV ICSMFE, Hamburgo, pp. 781-782.
Donaldson, G. W. (1967) The measurement of stress in anchor piles. In: Proceedings of Regional Conference for Agrica on Soil Mechanics and Foundation Engineering, 4, Cape Town, 1: 253-256
Fredlund, D. G. & Rahardjo, H. (1993) Soil mechanics for unsaturated soils, John Wiley, New York. 518p.
Holtz, W. G.; Gibbs, H. J. (1953) Field test to determine the behavior of piles in loess. In: Proceedings of 3rd international conference on soil mechanics and foundation engineering, Paris, v. I: 673-679
Marinho, F. A. (1997) Medição de Sucção em Solos. In.: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SOLOS NÃO SATURADOS, 3, Rio de Janeiro. Anais, Rio de Janeiro;
Mascarenha, M. M. A. (2003) Influência do recarregamento e da sucção na capacidade de carga de estacas escavadas em solos porosos colapsíveis. Dissertação de Mestrado em Geotecnia, Universidade de Brasília, 141 p.
Mohan, D.; Chandra, S. (1961) Frictional resistance of bored piles in expansive clays. Geotechnique, 11, n. 4: 294-301
Nadeo, J. R.; Videla, E. P. (1975) El fenomeno de la humectation “in situ” de suelos colapsibles. In: V Congresso Pan Americano de Mecania de Suelos y Ingenieria de Fundaciones, Buenos Aires, v. 5: p. 313-319
Sales et al. (2015) Fundações em solos não saturados. In: CARVALHO et al. (Org.). Solos não saturados no contexto geotécnico. São Paulo. Associação Brasileira de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica. p. 651 – 685.
Sales, M. M. (2000) Análise do comportamento de sapatas estaqueadas. Tese de Doutorado em Geotecnia, Universidade de Brasília, 229 p.
Skempton, A. W. (1959) Cast-in-sit bored piles in London-clay. Geotechnique, v. 9: 152-173
Teixeira, C. Z. (1993) Comportamento de estacas escavadas em solos colapsíveis. Dissertação de Mestrado em Geotecnia, Universidade de São Paulo, 140 p.