ANÁLISE DO ENSAIO DE CARREGAMENTO DINÂMICO
EM ESTACA PRÉ-MOLDADA ASSENTE NO SOLO POROSO DE BRASÍLIA - DF
Foá, S. B. 1; Cunha, R.P.1; Pereira, J. H. F 1; Paraíso, S. C.2 & Costa, C.M.C.2
RESUMO
Este artigo descreve a segunda fase de um programa experimental de avaliação dos ensaios de carregamento dinâmico
com energia crescente para determinação in loco da capacidade de carga de estacas. Os ensaios dinâmicos são
comparados a prova de carga estática sendo o elemento de fundação ensaiado uma estaca pré-moldada de concreto
armado centrifugado, cravada no Campo Experimental de Fundações e Ensaios de Campo da Universidade de Brasília.
Nesta área, o solo é composto de uma argila arenosa, siltosa e avermelhada, conhecido como “argila porosa”. A prova
de carga estática foi executada em 1997. O ensaio de carregamento dinâmico de energia crescente foi executado três
anos depois. A instrumentação dinâmica foi obtida com o PDA (Pile Driving Analyzer) e modelada com os programas
numéricos CASE (Case Institute of Technology) e CAPWAPC (Case Pile Wave Analysis Program Continuous Model).
No estudo são feitas análises de transferência de carga e estabelecida uma correlação entre a prova de carga estática e os
ensaios dinâmicos. As análises apresentadas permitiram algumas conclusões de interesse prático e acadêmico para
aqueles que projetam fundações profundas com o controle do desempenho por meio do uso de ensaios de carregamento
dinâmico de energia crescente.
ABSTRACT
Results from full-scale loading tests showed the high potencial of usage of the dynamic increasing energy test (DIET) to
verify the bearing capacity of deep foundations. This method allows the measurement of dynamic resistance −
displacement curve and the prediction of the static resistance − displacement curve of the pile-soil system. The
comparison between the use of DIET versus the static load test is also considered herein. This work was divided in two
different phases, the first accomplished in Salvador (Bahia) and the second in Brasilia (Federal District), both in Brazil.
This paper relates the field loading tests carried out in Brasilia. The studied site belongs to the Post Graduate Program of
the University of Brasilia. In this site a single precast driven centrifuged pile was tested. The dynamic instrumentation
data were obtained with a PDA equipment (Pile Driving Analyzer). This data was analyzed with a numeric program
denominated CAPWAPC (Case Pile Wave Analyses Program Continuous Model), and another denominated CASE
(Case Institute of Technology). The DIET procedure has demonstrated to be a tool of fast execution and low cost (if
compared to static load test).
PALAVRAS-CHAVE – Estacas, Capacidade de Carga.
1.
INTRODUÇÃO
Uma das grandes preocupações da Engenharia de Fundações consiste na avaliação da segurança em obras com
fundação profunda. A comprovação das premissas de projeto, o controle da execução e a análise do desempenho por
meio da determinação da capacidade de carga constituem um tópico em constante estudo.
A utilização de métodos de análise de capacidade de carga baseados na teoria da equação da onda a partir da
instrumentação dinâmica tem evoluído continuamente nos últimos anos. Estes métodos têm-se mostrado uma boa
ferramenta para a avaliação de desempenho em fundações.
No Brasil, a execução de ensaios de carregamento dinâmico iniciou-se em 1983, em plataformas marítimas. Em
1994, foi editada a norma brasileira desta metodologia de ensaio a NBR-13208 – Estacas – ensaio de carregamento
dinâmico (ABNT, 1994). Em 1996, edita-se a revisão da norma NBR-6122 – Projeto e execução de fundações (ABNT,
1996), que aceita o uso do ensaio de carregamento dinâmico com uma das alternativas para avaliação da capacidade de
carga de fundações profundas. No caso de estacas cravadas, também se permitiu a redução do fator de segurança do
valor usual de 2.0 para 1.6, desde que sejam efetuados ensaios dinâmicos em, no mínimo, 3% das estacas de uma obra e
no inicio da cravação.
Na prática de execução diária, o uso de ensaios de carregamento dinâmico tem encontrado algumas restrições,
devido a pouca divulgação e de suas vantagens. Este trabalho faz parte de uma dissertação de mestrado que estuda o seu
uso em estacas cravadas, por ser uma técnica recente em relação às provas de carga estática, já consagrada como método
de obtenção da capacidade de carga. Não há nenhuma comparação destes ensaios nos locais aqui analisados, apesar de
seu uso já ocorrer em fundações profundas.
1
Universidade de Brasília, Dep. de Engenharia Civil e Ambiental. ([email protected])
2
Geomec Engenheiros e Consultores S/C Ltda.([email protected])
Neste artigo, apresenta-se a segunda parte do programa experimental utilizado como objetivo principal de se
avaliar o uso dos ensaios de carregamento dinâmico de energia crescente nos projetos de fundações profundas. Este
estudo comparativo foi dividido em duas fases; a primeira realizada em Salvador (BA) e a segunda, em Brasília (DF).
Em Brasília, foi ensaiada uma única estaca de concreto armado pré-moldado centrifugado vazado, instalada no Campo
Experimental de Fundações e Ensaios de Campo do Programa de Pós-graduação em Geotecnia da Universidade de
Brasília (UnB), cujo solo é composto por uma argila arenosa avermelhada, conhecida como solo tropical. Os dados da
instrumentação dinâmica formam obtidos com o equipamento PDA (Pile Driving Analyzer) e modelados com os
programas numéricos CASE (Case Institute of Technology) e CAPWAPC (Case Pile Wave Analysis Program
Continuous Model).
2.
CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA DO LOCAL
Grandes áreas do Distrito Federal (mais que 80% da área total) são cobertas por um manto de intemperismo de
Idade Terciária-Quaternária, terroso e tropical. Este solo foi objeto de um extenso processo de laterização, resultando
em uma camada de espessura que varia de alguns centímetros a mais de 40 metros. Há nesta camada uma predominância
do argilomineral caulinita, óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio (Araki, 1997). A variabilidade das características
deste solo depende de vários fatores como a topografia, a cobertura vegetal e a rocha de origem.
Estes solos caracterizam-se pela pouca diferenciação entre os horizontes em termos texturais. Possui coloração
vermelha (latosolo vermelho) com baixa resistência mecânica (Índice de Penetração Stantard SPT < 6) e alta
permeabilidade. Apesar do alto teor de argila, este material apresenta elevada porosidade e permeabilidade similar a dos
solos arenosos, com um coeficiente de colapso extremamente alto.
Na área referente ao campo experimental da UnB, o solo é geotecnicamente composto de uma argila arenosa,
eventualmente siltosa e avermelhada, que forma um horizonte de solo residual laterítico de espessura maior que 8 m,
seguidos por uma zona de solo saprolítico de ardósia (Perez et al., 1998). Maiores detalhes podem ser vistos em
Camapum de Carvalho & Silva (1995), Araki (1997), Rodrigues et al. (1998), Cunha et al. (1999), Peixoto (1999), Sales
et al. (1999), Foá (2000) e Foá (2001).
A Tabela 1 apresenta os valores da faixa de variação dos parâmetros geotécnicos da “argila porosa” do campo
experimental. A Figura 1 apresenta o perfil geotécnico representativo desse local, obtido através de ensaios laboratoriais
com amostras indeformadas de um poço de inspeção manualmente executado (Foá, 2001).
Algumas sondagens conepenetrométricas (CPT) foram executadas em Mota et al. (2000). O ensaio foi realizado
até a profundidade de 15,4 m, sem medição da poro-pressão em virtude da inexistência de nível de água no local do
ensaio. A Figura 2 apresenta os resultados do ensaio de cone elétrico e o perfil de umidade obtido durante a realização
do ensaio.
Tabela 1- Parâmetros geotécnicos do campo experimental (Foá, 2000).
PARÂMETROS
Percentagem de Areia
Percentagem de Silte
Percentagem de Argila
Peso Específico Seco do Solo
Peso Específico do Solo
Teor de Umidade
Grau de Saturação
Índice de Vazios
Limite de Liquidez
Limite de Plasticidade
Índice de Plasticidade
Coesão (drenada)
Ângulo de Atrito (drenado)
Módulo de Young
Coeficiente de Colapso
Coeficiente de Permeabilidade
Coeficiente Vertical de Consolidação
UNIDADES
%
%
%
kN/m3
kN/m3
%
%
%
%
%
kPa
Grau
MPa
%
cm/s
m2/s
VALORES LIMITES
12-27
8-36
80-37
10-17
17-19
20-34
50-86
1-2
25-78
20-34
5-44
10-34
26-34
1-8
0-12
10-6-10-3
10-8-10-5
Nível do Terreno
Argila arenosa vermelho-escuro
HORIZONTE DE SOLO
RESIDUAL E LATERITICO
8,30 m
HORIZONTE DE TRANSIÇÃO
9,30 m
Predomínio de solos lateríticos
10,30 m
Intercalações de quartzo
11,40 m
HORIZONTE DE SOLO
SAPROLÍTICO DE ARDÓSIA
15,0 m
Silte argiloso laterítico vermelho
Figura 1 - Perfil do solo do campo experimental da UnB (Foá, 2001).
qc(MPa)
4
8
12
0,0
0,2
0,4
0
0,6
5
10
15
22
0
0
1
1
1
1
2
2
2
2
3
3
3
3
4
4
4
4
5
5
5
5
6
6
6
6
7
8
9
10
7
8
9
7
8
9
Profundidade (m)
0
Profundidade (m)
0
Profundidade (m)
Profundidade (m)
0
w (%)
fs/qc=Rf(%)
fs(MPa)
26
30
34
38
7
8
9
10
10
11
11
11
11
12
12
12
12
13
13
13
13
14
14
14
14
15
15
15
15
16
16
16
16
10
Figura 2 - Resultado do ensaio de cone e teor de umidade (modificado – Mota et al., 2000).
Além dos ensaios acima citados, foram feitos dois furos de sondagens definidos em função da posição das
estacas que, por sua vez, foram executadas de acordo com Perez (1997), Jardim (1998) e Rodrigues et al. A Figura 3
apresenta a localização do campo experimental e os ensaios. As Figuras 4 e 5 apresentam os perfis de sondagem dos
furos FS-01 e FS-02.
3.
DESCRIÇÃO DO ESTAQUEAMENTO
A estaca usada neste estudo foi instalada em 27/03/97 por Perez (1997). Para esta pesquisa foi escolhida uma
estaca pré-moldada de concreto armado centrifugada vazada. A estaca instalada possui 0.33 m de diâmetro externo,
vazada, com espessura de parede de 0,08 m e comprimento de 8 m. A estaca é de concreto centrifugado por processo de
cura a vapor e fck de 35 MPa.
As estacas foram cravadas com um martelo do tipo “queda-livre” de 32 kN de peso de martelo com altura de
queda média de 0,30 m. Utilizou-se um capacete metálico, no topo do trilho, dotado, na parte superior, de um cepo de
madeira de grande resistência mecânica e fibras paralelas, e na parte inferior, um “coxim” de madeira compensada com
seção quadrada pouco superior à seção da estaca. Sua função foi a de promover uma distribuição uniforme das tensões
dinâmicas que surgem com o impacto do martelo sobre a cabeça da estaca.
Figura 3 – Localização do campo experimental (Foá, 2001).
Figura 4 – Perfil do ensaio de SPT, furo FS01 (modificado – Rodrigues et al., 1998).
Figura 5 – Perfil do ensaio de SPT, furo FS02 (modificado – Rodrigues et al., 1998).
4.
ENSAIOS REALIZADOS E RESULTADOS EXPERIMENTAIS
4.1 Prova de Carga Estática (PCE)
A prova de carga estática usada neste estudo foi executada por Perez (1997) em 10/06/1997, e seguiu a NBR12131 (ABNT, 1991). O carregamento foi do tipo lento (SML), sendo feitas em estágios progressivos. O critério para a
mudança de estágio foi à estabilização dos recalques ou um período de 30 minutos.
Foi necessário um sistema de reação composto por duas estacas escavadas de 0,50 m de diâmetro e 10 m de
comprimento E1 e E3 (funcionando a tração) e três vigas metálicas ligadas a estas estacas. Duas vigas (V1 e V2) foram
colocadas longitudinalmente, ligando R1 e R2. A terceira viga (V3) foi colocada transversal a V1 e V2. O arranjo pode
ser visto na Figura 6. O ensaio PCE foi realizado até a ruptura física do sistema estaca-solo, o qual ocorreu no estagio de
200kN. Os resultados foram reavaliados por Cunha et al. (2001), que serviu de fonte para as análises aqui presentes.
A Figura 7 mostra a curva carga versus recalque desta estaca. Pode-se observar, um comportamento inicial (até
60 kN) de acomodação do solo com recalques da ordem de 0,35 x 10–3 m. Entre 60 kN e 200 kN, ela apresentou um
comportamento parabólico. Após atingir a carga de 200 kN, ocorreu no sistema estaca-solo uma ruptura física nítida,
porque um pequeno acréscimo de carga provocou um grande recalque. Assim, a curva definiu um trecho assintótico
vertical, pois a carga correspondente é conhecida como carga estática última ou de ruptura física.
O descarregamento foi feito em estágios sucessivos com reduções de carga de 25% da carga total atingida no
ensaio. Ao final, não houve a recuperação elástica do sistema e o deslocamento plástico foi de aproximadamente 100%,
também caracterizando a existência de uma ruptura física e “puramente plástica” do solo. Este fenômeno foi também
observado por Sales (2000) em provas de carga de fundações de pequeno diâmetro neste mesmo solo. Neste ensaio, o
recalque máximo foi de 10,4 x 10–3 m e o deslocamento plástico de 9,6 x 10–3 m.
Figura 6 – Esquema de reação da prova de carga estática. (modificado Perez, 1997).
Carga (kN)
0
50
100
150
200
250
Deslocamento (10
-3
m)
0
3
6
9
12
Figura 7 – Curva carga versus deslocamento da prova de carga estática (Foá, 2001).
4.2 Ensaio de Carregamento Dinâmico (ECD)
O ensaio de carregamento dinâmico surgiu com Rausche et al. (1972), após extensa pesquisa da Case Western
Reserve University, implementando a monitoração de estacas e passando a determinar a carga de ruptura com base na
teoria de propagação das ondas (Smith, 1960). Nesta análise se utiliza o equipamento denominado PDA (Pile Driving
Analyzer), desenvolvido naquela pesquisa. Os dados obtidos são interpretados por dois programas numéricos o CASE e
o CAPWAPC. Este ensaio é amplamente usado na Europa, nos Estados Unidos e no Canadá. No Brasil, ele foi
introduzido nos anos 80, em plataformas tipo offshore pela PETROBRÁS nas instalações de Garoupa na Bacia de
Campos, Rio de Janeiro.
No modelo CAPWAPC, durante o cálculo, todos os parâmetros do solo são estimados e se modela o
movimento da estaca, utilizando como condição de contorno a aceleração medida na seção instrumentada. O processo
fornece os deslocamentos de cada massa em que a estaca foi dividida, e os valores de reação do solo. As forças
calculadas são comparadas com os valores medidos, e se repete o processamento até que se obtenha uma
convergência de resultados. Esse cálculo é feito resolvendo a equação da onda, usando como elementos de entrada a
velocidade medida e o modelo da estaca-solo de Smith. A boa coincidência das duas curvas é um indicio de que os
modelos teóricos usados estão corretos. Os resultados obtidos são a carga mobilizada durante o golpe, a
distribuição do atrito lateral ao longo do fuste, além da simulação da prova de carga estática (carga estática versus
deslocamento na cabeça da estaca).
Rausche et al. (1985) apresentaram outra solução que adota a Teoria da Onda e os “ajustes” dados por
correlações empíricas de resultados comparativos entre 70 provas de carga estática e dinâmica. Este método é base do
programa CASE, diferindo-se do CAPWAPC por fornecer resultados em tempo real.
−
Metodologia da pesquisa e resumo dos resultados
Com Aoki (1989), iniciou-se a prática de uma nova metodologia de prova de carga dinâmica denominada de
ensaio de carregamento dinâmico de energia crescente, com a aplicação de impactos do martelo de alturas de queda
crescentes. Este ensaio é interpretado, também, com o PDA, obtendo a carga estática mobilizada em cada golpe (RMX)
e o deslocamento máximo descendente na localização dos transdutores (DMX). Desta forma pode-se traçar uma curva
de RMX versus DMX semelhante à curva obtida de uma prova de carga estática.
O ensaio de carregamento dinâmico foi executado segundo a metodologia de energia crescente e de acordo com a
norma NBR-13208 (ABNT, 1994). Ensaiou-se a mesma estaca SCAC submetida à prova de carga estática. O intervalo
de tempo entre a cravação (27/03/97) e o ensaio estático (10/06/97) foi de 45 dias. O intervalo entre o ensaio estático e
dinâmico foi de 3 anos e 51 dias (21/08/00). Este tempo foi considerado como suficiente para que fenômenos de
cicatrização ou relaxamento do solo possam ter ocorrido, além da recuperação da estrutura do solo com o
estabelecimento das condições iniciais de contorno do sistema estaca-solo.
Utilizou-se a metodologia de energia crescente com alturas de queda do martelo variando de 0,10 m a 1,30 m,
porém o primeiro golpe não foi suficiente para mobilizar qualquer resistência estática sendo excluído, portanto, da
análise. Os sinais de força e de velocidade versus tempo foram analisados com os programas CASE e CAPWAPC. A
Tabela 2 mostra o resumo de algumas das variáveis do sistema solo-estaca obtidas no CAPWAPC para cada golpe, com
base no respectivo ao ajuste, ou “match”, de cada modelo obtido na análise (fator de qualidade).
Tabela 2 – Dados do CAPWAPC para estaca de Brasília (Foá, 2001).
−
Resistência Estática Mobilizada
A Figura 8 mostra o gráfico de resistência estática versus deslocamento máximo da estaca quando submetida a
prova de carga estática e ao ensaio de carregamento dinâmico. A resistência e os deslocamentos foram obtidos por
integrações dos sinais de força e velocidade pelas análises CASE e CAPWAPC. Pode-se se observar que até a carga de
200 kN, as duas curvas tiveram o mesmo comportamento. No ensaio dinâmico, obteve-se uma carga de pico maior (270
kN) e ambas as curvas se distanciaram. Nota-se que, no terceiro golpe, aumentou muito o deslocamento do topo das
estacas, formando um patamar de ruptura física e definindo o valor da carga limite do ensaio dinâmico (Rult) como sendo
223 kN. Logo, a prova de carga estática e a dinâmica apresentaram uma diferença de 11,5%. Este valor é inferior ao
encontrado por Nyama e Aoki (1991) realizando a comparação entre metodologias estáticas e dinâmicas em estacas prémoldadas ensaiadas até a ruptura do sistema estaca-solo (eles encontraram a carga de ruptura estática -oriunda de
ensaios dinâmicos - 15% maior que a carga de ruptura estática na prova de carga estática ensaiando a mesma estaca).
Cargas (kN)
0
40
80
120
160
200
240
280
0
-3
Deslocamento - DMX (10 m)..
34
Envoltoria CAPWAP
68
Carga limite do ensaio dinâmico
Prova de carga estática
102
136
170
204
238
Figura 6 – Análise de curva da prova estática e dinâmica (Foá, 2001).
−
Análise da transferência de carga
Dos vários parâmetros obtidos no CAPWAPC, destacou-se, em particular, análise da transferencia de carga
mobilizada em função da energia aplicada (ou seja, proporcional a altura de queda do martelo). As parcelas de atrito
lateral e à resistência de ponta mobilizada em cada impacto podem ser vistas na Figura 7. Observa-se que, para o
primeiro e segundo golpes, o atrito lateral foi maior que o dobro do valor de resistência mobilizada na ponta, mostrando
que o solo, ainda estruturado, estava bem aderido à estaca, sendo necessária uma energia maior que 2,5 kJ para romper o
atrito lateral. Para os demais golpes, a porcentagem de atrito lateral em relação à resistência de ponta foi cada vez
menor. No trecho de aplicação de 5,5 kJ a 8,6 kJ (terceiro a sexto golpe de energia), o valor de atrito foi maior que o de
resistência de ponta. Nos três últimos golpes a situação se inverteu, ou seja, o valor de atrito é quase constante e menor
que o equivalente ao de resistência de ponta.
Em geral, percebe-se que a resistência total mobilizada é menor do que a carga estrutural de estacas cravadas.
Este fato já foi observado por Cunha et al. (2001) que concluem, após análise do carregamento de vários tipos de
estacas, que o processo de cravação afeta, consideravelmente, a capacidade de carga da fundação no solo poroso. Esta
capacidade de carga está associada à quebra de estrutura do solo durante o processo de cravação da estaca.
Figura 7 – Resistência Mobilizada em função da energia aplicada. (Foá, 2001).
Evidenciou-se, também, na modelagem, a criação de um vazio (“gap”) entre a ponta da estaca e o solo. Este
vazio, na ordem de 0,030 m, apresentou-se para os golpes de EMX igual a 9 kJ; 9,4 kJ e 12,1 kJ, sendo responsável pela
pequena variação de resistência lateral, ponta e total mobilizados para estes níveis de energia. O “gap” é um fenômeno
de modelagem típico de estacas que estão apoiadas em solo de alta resistência e que repicam durante o ensaio, vindo a
formar um vazio entre a ponta da estaca e o solo. O solo tropical existente na base da estaca mostrou um comportamento
típico de material argiloso, apesar de sua granulometria classificá-lo como areia.
O comportamento aqui descrito está ligado a reologia do solo poroso e à existência de uma parcela devido à
sucção. Provavelmente, o aparecimento deste vazio esteja ligado à mobilização da parcela de resistência ao
cisalhamento residual, ou à quebra da estrutura do solo para este nível de energia. Durante o sétimo golpe, ocorreu um
deslocamento maior do solo que o da estaca, propagando-se nos demais golpes. Estudos futuros sobre a reologia e
influência da sucção sobre a capacidade de carga do solo poderão explicar melhor este fenômeno.
5.
CONCLUSÕES
O ensaio de carregamento dinâmico configura-se um método de teste rápido e de baixo custo quando
comparado a provas de carga estática, utilizando um equipamento portátil de fácil transporte e movimentação em obra.
Ele é capaz de revelar, de forma rápida e bem precisa, a resistência mobilizada no golpe, além de defeitos de execução.
Em virtude da facilidade da movimentação em campo surge, como uma alternativa viável para analise de capacidade de
carga.
Neste estudo, esta técnica revelou-se satisfatoria para avaliar a capacidade de carga de estacas pré-moldadas, pois
as diferenças encontradas foram de 11,5%. Além disso, pode-se caraterizar outros parâmetros não disponíveis em uma
prova de carga estática convencional (não instrumentada), tais como: parcelas de atrito lateral e resistência de ponta, o
quake do solo, a eficiência do sistema de cravação, as tensões de compressão e de tração.
Conclui-se, com base nos resultados das comparações efetuadas neste trabalho, que o ensaio de carregamento
dinâmico com energia crescente representou bem o comportamento do sistema estaca–maciço de solo, quanto à
determinação da capacidade de carga da fundação. As diferenças encontradas mostraram ser esta metodologia uma
excelente ferramenta de ensaio, de fácil e rápida execução (em relação às provas de carga tradicionais), vindo a oferecer
resultados satisfatórios. Vale ressaltar que a pesquisa nesta área deve continuar de forma a validar, plenamente, as
conclusões aqui obtidas, em especial para os solos porosos, laterizados e tropicias do Centro Oeste.
6.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a CAPES pelo suporte financeiro do 10 autor durante o período de desenvolvimento da
dissertação de mestrado na Universidade de Brasília e a empresa SONDA ENGENHARIA LTDA pelo grande apoio
logistico em Brasília.
7.
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