INFLUÊNCIA DA COLAPSIBILIDADE DO SOLO NA CAPACIDADE DE CARGA DE
ESTACAS CURTAS, DO TIPO APILOADA, EXECUTADAS NO SOLO COLAPSÍVEL DE
ILHA SOLTEIRA-SP.
Ágatha Stela de Morais 1; Antonio Anderson da Silva Segantini 2
Resumo - A característica de colapsibilidade dos solos tem sido objeto de estudo no Campo Experimental da Unesp em
Ilha Solteira. Em provas de carga à compressão com prévio encharcamento do solo, realizadas em estacas escavadas
(D=25cm, L=6m), observou-se que houve redução de cerca de 50% na capacidade de carga. Sabe-se que grande parte
da área do Estado de São Paulo é recoberta por solos com esta característica e as fundações normalmente utilizadas
nesta região, para obras de pequeno e médio porte, são constituídas por estacas curtas, moldadas in loco, com
comprimento geralmente inferior a 6m. Neste trabalho são apresentados resultados de provas de carga à compressão
realizadas em três estacas moldadas in loco (D=20cm, L=4,5m), do tipo apiloada, ensaiadas com o solo na condição de
umidade natural e também com encharcamento prévio. As provas de carga foram realizadas de acordo com as
prescrições da NBR-6122/96, da ABNT. A análise dos resultados é feita em função das curvas obtidas nas duas
situações, ou seja, com o solo em sua condição de umidade natural e com prévio encharcamento.
Abstract - The characteristic of collapsibility of the soils has been study object in the Experimental Field of Unesp in
Ilha Solteira. In load tests realized, with previous saturated of the soil, on bored piles, with diameter of 25cm and length
of 6m, it was verified that there was reduction of 50% in the ultimate load. It is known that great part of the area of the
São Paulo State is covered by soils with this characteristic and the foundations frequently used in this region, for the
case of small constructions, are constituted by short piles, with length usually inferior to 6m. Results of six load tests
realized in three piles foundation (D=20cm, L=4.5m) is presented in this works. It was realized three load tests with the
soil in our natural condition and three with inundated soil. The analysis of the results is making in function of curves
obtained in the two situations, with the soil in our natural humidity and with soil in the saturated condition.
Palavras-Chave: Colapsibilidade, Fundações, Estacas.
INTRODUÇÃO
A colapsibilidade de um solo é caracterizada pela possibilidade de ocorrência de deslocamentos repentinos, de
elevada magnitude, os quais geralmente estão condicionados à existência de carregamentos e aumento do teor de
umidade do solo. Esta umidade, definida como limite ou crítica, é inferior à de saturação do solo. A determinação da
carga de colapso, para um determinado tipo de fundação e perfil de subsolo, é de grande importância para o projeto de
fundações. Em locais cujos solos sejam colapsíveis, a carga de ruptura por colapso do solo encharcado deverá
necessariamente ser considerada como condição limite pelos projetistas. A sua determinação pode ser feita através da
realização de provas de carga, inundando-se o solo antes ou durante a realização do ensaio. A NBR-6122/96 prescreve,
para o caso de fundações apoiadas em solos porosos e não saturados, que se deve analisar a sua porosidade e colapso
por encharcamento, pois essas características indicam a presença de solos colapsíveis. Devem ser evitadas, em
princípio, a execução de fundações superficiais em solos com estas características. Segundo Cintra [1], a carga de
colapso pode ser interpretada como a capacidade de carga, na umidade natural do solo, reduzida pela influência da sua
inundação. Quanto mais significativa for essa redução mais susceptível ao colapso estará a fundação.
São apresentados, neste trabalho, resultados de provas de carga realizadas em três estacas apiloadas, moldadas in
loco, com 20cm de diâmetro e comprimento de 4,5 m. Foram realizados ensaios com o solo encharcado e também com
o solo em sua condição de umidade natural. Na confecção das estacas foi adotado o procedimento de instalar um
elemento de poliestireno expandido (EPS) no fundo dos furos para, desta forma, eliminar o efeito da resistência de
ponta no início do ensaio. As provas de carga foram realizadas em conformidade com a NBR-6122/96, Estacas: provas
de carga estática, da ABNT, através de ensaio com carregamento rápido (QML – Quick Maintained Load).
OBJETIVOS
Objetivou-se, com a realização deste trabalho, analisar o efeito da colapsibilidade do solo na capacidade de carga
de estacas do tipo apiloada moldadas in loco. Não obstante, pretendeu-se contribuir com o meio técnico através da
obtenção e divulgação de dados e informações importantes no que diz respeito ao comportamento, projeto e execução
de estacas curtas, submetidas a pequenas cargas, em solos colapsíveis. Buscou-se, ainda, contribuir no sentido de
1
Mestranda em Engenharia Civil, Unesp, Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Departamento de Engenharia Civil. Alameda Bahia 550, cep
15385.000 – Ilha Solteira – SP. Fone (18) 3743 1115, FAX (18) 3743 1060, [email protected]
2
Professor Assistente Doutor em Engenharia Civil, Unesp, Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Departamento de Engenharia Civil. Alameda
Bahia 550, cep 15385.000 – Ilha Solteira – SP. Fone (18) 3743 1115, FAX (18) 3743 1060 [email protected]
proporcionar maior segurança na execução de obras de pequeno porte, reduzindo custos de retrabalho para reforço de
fundações ou restauração de partes danificadas das edificações, em razão da ocorrência de recalques de fundação
causados pela influência da colapsibilidade do solo. Pretende-se que as informações disponibilizadas se constituam em
ferramentas importantes para o dimensionamento dos elementos de fundação e sirvam de alerta para situações de risco,
muitas vezes negligenciadas pelos construtores, seja por falta de informação ou informações incorretas a respeito do
comportamento das fundações em solos colapsíveis.
REVISÃO DE LITERATURA
Ocorrência de colapso
Os requisitos básicos para a ocorrência do colapso em solos naturais são os seguintes: estrutura porosa,
caracterizada por elevado índice de vazios; e condição de não saturado, representada por baixa umidade. O fenômeno da
colapsibilidade vem sendo estudado nos últimos trinta e cinco anos por diversos pesquisadores, entre eles Dudley [2],
Feda [3] e Gibbs e Bara [4].
Sultan [5] enumera uma série de possibilidades e circunstâncias nas quais se pode ter a ocorrência de colapso:
1) Alguns solos, com o aumento do seu grau de saturação, sofrem colapso instantaneamente. Observou-se isso
tanto para formações superficiais quanto para formações profundas.
2) Alguns solos sofrem colapso após o rebaixamento do nível d’água. A retirada da água do subsolo provoca o
rebaixamento do lençol freático e, em função do peso do solo sobrejacente, as camadas profundas têm suas
tensões efetivas aumentadas, causando o colapso do esqueleto sólido. Situações similares têm ocorrido em
campos de petróleo, devido ao seu bombeamento;
3) Alguns solos sofrem expansão após a saturação e, depois da aplicação das cargas externas, sofrem recalques substanciais;
4) Alguns solos loéssicos têm mostrado aumento na magnitude e na velocidade de colapso, com o aumento das
cargas aplicadas;
5) Algumas areias de origem eólica, com o aumento das cargas aplicadas, têm mostrado uma diminuição na
velocidade de recalque;
6) Alguns solos não recuperam, ao longo do tempo, nenhuma parcela do volume perdido, enquanto outros
recuperam alguma parcela com o passar do tempo, mesmo quando suportando a carga que provocou o colapso.
Segundo Cintra [1], o solo colapsível apresenta uma estrutura instável, porém com uma rigidez temporária
mantida pela pressão de sucção. Diante do aumento da umidade este estado é instável, pois quando este ultrapassa o
limite crítico acontece o colapso, desde que a carga atuante também esteja acima de um certo limite. Portanto o aumento
da umidade é o mecanismo que aciona o fenômeno do colapso.
Segantini [6] apresenta as curvas de colapso obtidas em ensaios realizados com amostras indeformadas,
coletadas em um poço de inspeção escavado no Campo Experimental da Unesp em Ilha Solteira-SP. Segundo Vargas
[7], são considerados colapsíveis os solos que apresentem índice de colapso i > 0,02, indicando que o solo em estudo,
dependendo da pressão aplicada, é considerado colapsível até 7m de profundidade. Apresenta-se, através da Figura 1,
as curvas de colapso obtidas.
Pressão de inundação (kPa)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0
1
Colapso (%)
2
3
4
5
6
7
8
9
1m
2m
3m
5m
7m
Fonte: Segantini [6]
Figura 1. Curvas de colapso a várias profundidades.
9m
11 m
Mecanismos da colapsibilidade
De acordo com Clemence [8] o solo estará propenso à ocorrência da colapsibilidade, desde que possua uma
estrutura altamente porosa, em situação de equilíbrio meta-estável entre as partículas maiores. Entende-se por equilíbrio
meta-estável o estado em que um sistema pode permanecer, apesar de não ser estável nas condições físicas em que se
encontra. Essa estrutura é mantida pela presença de algum vínculo capaz de conferir ao solo uma resistência adicional
temporária. Segundo Dudley [2] e Uriel e Serrano [9], a redução da ação dos mecanismos de suporte quando, da
introdução de algum agente, geralmente a água, pode ocasionar uma situação de desequilíbrio. Isto faz com que os
grãos se deslizem em direção aos espaços vazios, provocando o colapso da estrutura do solo.
Outro fator responsável pelo aumento temporário da resistência do solo, segundo Reginato e Ferrero [10], é a presença
de agentes cimentantes, fazendo com que os grãos permaneçam em sua posição e proporcionem uma estrutura
razoavelmente densa. A cimentação, porém, pode ser desfeita em função da natureza das substâncias dissolvidas na
água e da solubilidade do cimento envolvido.
Embora exista certo consenso entre pesquisadores de que o principal causador do colapso é a presença da água,
tem-se também que a simples variação das pressões aplicadas ao solo pode determinar uma situação crítica. Esse
fenômeno, de acordo com Uriel e Serrano [9], pode ser interpretado como a ruptura dos vínculos existentes entre as
partículas maiores e pode acontecer quando a resistência ao cisalhamento dos vínculos é superada pelas tensões
induzidas pelos carregamentos.
A ação da água, ocasionando a colapsibilidade, conforme Vilar [11], pode ocorrer de duas maneiras: eliminando as
forças capilares que, ao incrementar as tensões efetivas, proporcionam uma resistência adicional temporária à massa dos
solos; ou diminuindo a resistência dos vínculos existentes entre as partículas maiores, e ainda reduzindo parcialmente ou
eliminando por completo a cimentação entre os grãos, proporcionada pelos carbonatos e outros sais solúveis.
Solos colapsíveis
Cintra [1] cita que provavelmente o primeiro registro histórico da ocorrência deste fenômeno tenha sido o
acontecido em uma escola ucraniana, com fundações em solo do tipo loess. Após ter sofrido um incêndio a referida
escola apresentou inclinação acentuada, necessitando inclusive de escoramento. O autor acrescenta que a água lançada
pelos bombeiros para apagar o fogo, infiltrando-se no solo, provocou o colapso de uma parte da construção e o
desaprumo. No Brasil, a constatação e a investigação do comportamento de solos colapsíveis tem acontecido desde a
década de 60, durante a construção das grandes barragens na região Centro-Sul, em locais de ocorrência de solos
superficiais porosos e, portanto, sujeitos a eventuais recalques repentinos durante a fase de enchimento dos
reservatórios. As regiões tropicais apresentam condições flagrantes para o desenvolvimento de solos colapsíveis, quer
pela lixiviação de finos dos horizontes superficiais, nas regiões onde se alteram estações de relativa seca e de
precipitações intensas, ou pelos solos com deficiência de umidade que se desenvolvem em regiões áridas e semi-áridas.
Em alguns solos o colapso pode ocorrer pela adição de água, enquanto que em outros o mesmo pode acontecer
quando as tensões aplicadas superam um valor limite situado abaixo da tensão de ruptura do solo.
No Brasil, de acordo com Souza [12], solos porosos colapsíveis de origem coluvionar, aluvionar ou mesmo de
alteração de rocha, abrangem consideráveis áreas da região sudeste, nordeste e centro-oeste, ocorrendo com espessuras
que variam de 1m a 20m. A porosidade é geralmente atribuída a intenso processo de lixiviação, causado por estações
chuvosas e secas, bem definidas e alternadas. Apesar de bastante compressíveis, os maiores problemas que envolvem as
obras de engenharia civil estão relacionados aos elevados colapsos que ocorrem quando estes solos são inundados. Na
última década, grandes avanços vêm sendo conseguidos no conhecimento do fenômeno do colapso em razão da
construção de canais de irrigação e usinas hidrelétricas em todo o Brasil, usinas das quais suas bacias de
armazenamento inundam milhares de quilômetros quadrados de solos porosos, cujo comportamento tem relação direta
com as obras de engenharia sujeitas à elevação imposta ao lençol freático.
Fundações no Interior do Estado de São Paulo
Albiero et al. [13] citam que no interior do Estado de São Paulo praticamente todos os tipos de fundação
profunda têm sido utilizados. Em obras de maior porte, usa-se tubulões a céu aberto, estacas Franki, estacas prémoldadas e estacas metálicas. Existem casos de obras em que se pratica o rebaixamento do lençol freático para
possibilitar o uso de tubulões a céu aberto. Em situações em que se têm cargas elevadas e lençol freático próximo à
superfície, impossibilitando o uso de tubulões a céu aberto, tem-se utilizado as estacas escavadas com lama bentonítica
e mesmo estacas pré-moldadas com pré-furo. Para obras de médio e pequeno porte, tem-se utilizado tubulões a céu
aberto, estacas pré-moldadas, estacas escavadas sem lama bentonítica, estacas do tipo Strauss e estacas apiloadas.
Na maioria das cidades do interior do Estado, as fundações mais utilizadas para obras de pequeno porte são as do
tipo Strauss, as estacas apiloadas, as brocas mecanizadas e as brocas manuais. O autor chama atenção para a
denominação errônea de Strauss para estacas executadas com a simples queda de um pilão, não havendo uso da camisa
de revestimento e nem da sonda para a retirada do solo, pois esse, na verdade, sofre deslocamento. A esse tipo de
fundação, atribui-se a denominação de estaca apiloada.
Ferreira et al. [14] estudaram a influência da colapsibilidade, concluindo que, além do teor de umidade, também
a heterogeneidade do solo pode ter influência na magnitude dos colapsos.
DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO
Este trabalho foi desenvolvido no Campo Experimental da Faculdade de Engenharia da Unesp em Ilha Solteira,
onde foram realizadas provas de carga do tipo rápido, em três estacas apiloadas, sendo a abertura dos furos executada
com auxílio de um pilão de 5kN. Estas estacas foram confeccionadas com 20cm de diâmetro e 4,5m de comprimento,
recebendo blocos de transição com dimensões de 55cm x 55cm x 55cm, ancorados às estacas por quatro barras de aço
de 8mm. Colocou-se, no fundo de cada furo, um elemento de EPS – Expanded Poly Styrene - com espessura de 50mm e
diâmetro igual ao do fuste das estacas. Objetivou-se, com este procedimento, eliminar a influência da ponta da estaca no
início do ensaio, obtendo-se assim leituras de deslocamento associadas apenas a parcela de atrito lateral.
O sistema de reação, já existente no local, constituiu-se de estacas do tipo escavada, confeccionadas com
diâmetro de 25cm e comprimento de 6m, as quais foram ancoradas a uma viga metálica por intermédio de tirantes
Dywidag. As estacas de reação receberam concreto armado em todo o seu comprimento. Foram utilizados tirantes
Dywidag de rosca contínua e diâmetro igual a 32mm, além de porcas, placas e luvas, todos fabricados com aço especial
ST-85/105.
ANÁLISE DOS RESULTADOS
As cargas de ruptura foram obtidas por meio de provas de carga do tipo rápida, seguindo-se as recomendações
da NBR-12131, Estacas: Provas de Carga Estática. Os ensaios foram realizados com a aplicação de carregamentos
equivalentes a 1/20 da carga máxima prevista para o ensaio, em estágios de 5 minutos. O encharcamento foi feito
através da saturação do solo por intermédio de uma vala com 50cm de profundidade, na qual foram confeccionados
quatro drenos com diâmetro de 10cm e profundidade de 3m.
Foram realizadas duas provas de carga em cada estaca, sendo a primeira com o solo na condição natural e a
segunda com prévio encharcamento. O primeiro ensaio foi conduzido de modo a se obter deslocamentos no topo das
estacas da ordem de 100mm. No segundo ensaio, com encharcamento, as provas de carga foram conduzidas até a
ruptura. Considerou-se como carga de ruptura, durante a realização dos ensaios, aquela na qual, dada a grande
velocidade dos deslocamentos, não se conseguia mais manter a carga constante por intermédio da ação do macaco
hidráulico. Na Tabela 1 são apresentados os valores de cargas máximas aplicadas e respectivos recalques. Através das
Figuras 1, 2 e 3 são apresentadas as curvas carga × deslocamento obtidas com o solo na condição natural e com o solo
saturado.
Carga (kN)
0
20
40
60
80
100
120
0
20
40
Recalque (mm)
60
80
100
120
140
Solo Natural
Solo Saturado
160
180
Figura 2. – Carga × recalque da estaca 01.
140
Carga (kN)
0
20
40
60
80
100
120
140
0
20
40
Recalque (mm)
60
80
100
120
140
Solo Natural
Solo Saturado
160
180
Figura 3. – Carga × recalque da estaca 02.
Carga (kN)
0
20
40
60
80
100
0
20
40
Recalque (mm)
60
80
100
120
Solo Natural
140
Solo Saturado
160
180
Figura 4. – Carga × recalque da estaca 03.
120
140
Tabela 1 – Cargas máximas e recalques
Solo natural
Solo saturado
Estacas
Carga última
(kN)
Recalque
(mm)
Carga última
(kN)
Recalque
(mm)
01
130
127
90
44
02
100
95
90
34
03
125
108
90
43
A curva carga × recalque da estaca 01, apresentada na Figura 1, obtida no ensaio sem encharcamento do solo,
indica que a carga máxima aplicada foi de 130kN, com recalque de 127mm, havendo manifestação da resistência de
ponta após a aplicação da carga de 75kN e recalque de 62mm. No ensaio com encharcamento a ruptura aconteceu após
a aplicação da carga de 90kN, com recalque de 44mm. A carga máxima obtida com o solo saturado representa cerca de
70% da carga máxima aplicada com o solo na condição natural.
Para a estaca 02, Figura 2, no ensaio com o solo na condição de umidade natural, atingiu-se carga máxima de
100kN, com recalque de 95mm, havendo manifestação da resistência de ponta após a aplicação da carga de 55kN e
recalque de 34mm. No ensaio com o solo encharcado a ruptura aconteceu após a aplicação da carga de 90kN.
No caso da estaca 03, Figura 3, no ensaio com o solo na condição de umidade natural, atingiu-se carga máxima
de 125kN, com recalque de 108mm. A manifestação da resistência de ponta ocorreu após a aplicação da carga de 75kN,
com recalque de 66mm. Já com o solo encharcado, a ruptura se manifestou após a aplicação da carga de 90kN, valor
este que representa cerca de 63% da carga máxima aplicada com o solo na condição natural.
Em todos os ensaios com o solo encharcado, após a aplicação e manutenção da carga máxima, observou-se
ocorrência de deslocamentos consideráveis, razão pela qual admitiu-se esta como sendo a carga de ruptura.
Em vista dos resultados obtidos, e analisando a configuração das curvas, observa-se que a ruptura destas estacas,
em solos colapsíveis, na condição de encharcamento do solo, acontece de forma brusca e repentina. A determinação das
cargas admissíveis deve ser feita em função das situações mais críticas. Para solos colapsíveis, portanto, havendo
possibilidade de encharcamento dos elementos de fundação, o fenômeno da colapsibilidade não pode ser ignorado.
De acordo com a NBR-6122/96, a carga admissível (PADM) deve ser determinada através da aplicação de um
coeficiente de segurança à carga de ruptura (PR), que pode ser obtida por meio de fórmulas ou experimentalmente, com
a realização de provas de carga. A partir do valor de PR, determinado experimentalmente, a carga admissível deve ser
obtida mediante a aplicação de um coeficiente de segurança (CS) adequado, não inferior a 2. Além disto, no caso
específico de estacas escavadas, a resistência por atrito lateral (PL) na ruptura não pode ser inferior a 80% da carga de
projeto utilizada.
No caso em estudo, para a estaca 01, por exemplo, obteve-se PR = 130kN na ruptura, donde, aplicando-se
coeficiente de segurança CS=2, obtém-se PADM = 65kN. Na prova de carga realizada com o solo encharcado, para esta
mesma estaca, obteve-se PR = 90kN, valor este bastante próximo do obtido para a carga admissível com o solo na
condição de umidade natural. Fica, portanto, evidente a necessidade de se considerar este fenômeno no
dimensionamento de fundações apoiadas sobre solos que apresentem esta característica.
Observando-se as Figuras 1, 2 e 3, nas curvas referentes às provas de carga com o solo em sua condição de
umidade natural, nota-se que em todas elas a inflexão se deu após a ocorrência de recalques superiores a 50mm. Isto
pode significar que, antes da inflexão, estava ocorrendo esmagamento do EPS deixado no fundo da estaca e que
somente após isto é que começou a ocorrer resposta da ponta da estaca.
Analisando a curva da estaca 01, a carga que provocou a inflexão foi de 75kN, com recalque acumulado de
62mm, observando-se, no decorrer do ensaio, grande dificuldade para se manter constante a carga aplicada. Logo,
conclui-se que houve ruptura. Admitindo-se que não havia resistência de ponta, isto implica que a carga de 75kN, que
provocou a ruptura, representa a parcela relativa ao atrito lateral. Após o esmagamento do EPS, observa-se a
manifestação da resistência de ponta, através da inflexão da curva. O ensaio foi conduzido até a carga de 130kN,
quando novamente aconteceram deslocamentos consideráveis, havendo dificuldade em se manter constante a carga
aplicada. Esta mesma análise pode ser feita para as outras estacas.
As cargas máximas aplicadas, no ensaio com o solo na condição de umidade natural, foram de 130kN para a
estaca 01, 100kN para a estaca 02 e 125kN para a estaca 03, obtendo-se em média o valor de 120kN. Nos ensaios com
encharcamento solo, a carga máxima aplicada em todas as estacas foi de 90kN. Este valor, em média, corresponde a
75% das cargas máximas aplicadas com o solo na condição de umidade natural. Nas situações mais críticas,
representadas pelas estacas 01 e 03, a mesma relação corresponde a 69%.
CONCLUSÕES
Após a análise dos resultados, conclui-se: a saturação do solo influenciou de forma considerável a capacidade de
carga das estacas em estudo. Nas situações mais críticas, representadas pelas estacas 01 e 02, a carga de ruptura
correspondeu a 69% da obtida com o solo na condição de umidade natural; a utilização do EPS com espessura de 50mm
possibilitou a condução das provas de carga até a ruptura, sem influência da resistência de ponta, obtendo-se, na
ruptura, no caso da estaca 01, carga correspondente ao atrito lateral igual a 75kN, sendo que após o esmagamento do
EPS a carga de ruptura foi de 130kN; o fenômeno da colapsibilidade deve ser um item obrigatório na hora de se
dimensionar elementos de fundação apoiados sobre solos colapsíveis; atenção especial deve ser dispensada aos projetos
de maneira geral, inclusive através da adoção de medidas preventivas, considerando-se tubulações de fácil acesso, que
permitam inspeção e verificação imediata de qualquer vazamento, execução de sistemas de escoamento de águas
pluviais em locais não próximos aos elementos de fundação e inspeções periódicas em reservatórios.
AGRADECIMENTOS
Os autores expressam seus agradecimentos a FUNDUNESP – Fundação para o Desenvolvimento da Unesp e a
UNESP - Universidade Estadual Paulista pelo apoio recebido.
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v.suppl.