Estudo do Efeito do Processo Executivo de Estacas em Maciços
Arenosos através de Modelos Reduzidos de Laboratório com
Diferentes Escalas
Camille Almeida Pessanha
UENF, Campos dos Goytacazes/RJ, Brasil, [email protected]
Paulo César de Almeida Maia
UENF, Campos dos Goytacazes/RJ, Brasil, [email protected]
Milton Pereira Soares Júnior
UENF, Campos dos Goytacazes/RJ, Brasil, [email protected]
RESUMO: Este estudo tem como objetivo avaliar o efeito do processo executivo de estacas através
de modelos reduzidos de laboratório com diferentes escalas. Foram feitos três modelos reduzidos
em escalas diferentes de estacas cravadas, que representam um dos principais métodos construtivos
de estacas. Os modelos foram submetidos a provas de carga estáticas em um tanque onde podem ser
simulados maciços de fundação arenosos, que são característicos de regiões como Campos dos
Goytacazes, Rio de Janeiro, entre outras. Os resultados apresentados mostram que os métodos de
previsão de capacidade de carga que mais se aproximam dos resultados das provas de carga são os
de Meyerhof, principalmente a solução para solos granulares. As escalas que obtiveram resultados
mais representativos de capacidade de carga foram a pequena e a grande, já na comparação do
recalque, a escala média teve resultados semelhantes na previsão e no ensaio de prova de carga.
PALAVRAS-CHAVE: Modelos Reduzidos, Provas de Carga, Estacas.
1
INTRODUÇÃO
A engenharia de fundações vem evoluindo
constantemente em busca de novos elementos
de fundação, que possuam alta produtividade,
ausência de vibrações e ruídos na execução,
elevada capacidade de carga e controle de
qualidade durante a execução da estaca, entre
outros aspectos (ALMEIDA NETO, 2002).
Existe hoje uma variedade muito grande de
estacas para fundações. Os principais métodos
construtivos são os das estacas cravadas,
escavadas, hélice contínua e hélice de
deslocamento.
As estacas cravadas podem ser de madeira,
aço e concreto; e são introduzidas no solo por
dois métodos de cravação: por percussão ou
prensagem. São largamente usadas em todo o
mundo possuindo como vantagens em relação
às concretadas no local um maior controle de
qualidade tanto na concretagem, que é de fácil
fiscalização quanto na cravação, além de
poderem atravessar correntes de águas
subterrâneas o que com as estacas moldadas no
local exigiriam cuidados especiais (VELLOSO
E LOPES, 2010).
Para avaliar o comportamento de uma
fundação profunda de forma real são realizadas
provas de carga, que podem ser feitas por
ensaios de carga estática ou carga dinâmica,
segundo as normas brasileiras NBR 12131 e
NBR 13208, respectivamente.
A dificuldade de se atingir a ruptura dos
elementos de fundação nos ensaios estáticos fez
com que, diversos métodos de extrapolação da
curva carga vs recalque fossem sugeridos pelos
pesquisadores. Porém, os modelos reduzidos
podem ser considerados um meio barato e fácil
de construir e podem ser ensaiados até a ruptura
sem prejuízos (MELO, 2011).
Portanto, o objetivo deste trabalho é
reproduzir o processo executivo de um dos tipos
de estacas mais utilizados, as estacas cravadas,
através de modelos reduzidos de diferentes
escalas ensaiados em um tanque de areia.
A partir das análises das provas de carga
estáticas realizadas nestes modelos, é possível
prever a capacidade de carga e o recalque, e
posteriormente avaliar se os resultados podem
ser comparados com a literatura ou a escala real
das fundações.
Assim, garantimos uma melhor adequação
dos parâmetros de previsão de carga última e
recalque adotados em projetos, gerando uma
redução de custos, e aumento de segurança e
conforto em obras civis (MAGALHÃES, 2005).
esquema construtivo do tanque e do sistema de
reação pode ser visto nas Figuras 1 e 2.
O material escolhido para representar o
maciço de fundação foi a areia densa, muito
encontrada nas regiões de Campos dos
Goytacazes, Rio de Janeiro, entre outras.
2
METODOLOGIA
Figura 1. Esquemático do tanque e do sistema de reação.
2.1
Geral
Na metodologia para o estudo do processo
executivo das estacas em modelos reduzidos de
diferentes escalas destacam-se cinco etapas, que
foram executadas na seguinte ordem:
1ª)
Realização
de
ensaios
para
caracterização e obtenção de parâmetros de
resistência e densidade da areia;
2ª) Cravação das estacas pré-moldadas de
concreto no tanque de areia;
3ª) Realização de ensaios de prova de carga
estática de carregamento rápido, segundo a
NBR 12131;
4ª) Interpretação das provas de carga e
resultados de capacidade de carga última e
recalque de cada estaca.
5ª) Comparação dos resultados obtidos nos
ensaios com os métodos racionais, encontrados
na literatura.
2.2
Material Utilizado no Tanque
O tanque utilizado nesta pesquisa foi construído
no Campus da Universidade Estadual do Norte
Fluminense – UENF, com dimensões de 1,40 m
de diâmetro e 2,50 m de comprimento. O
Figura 2. Foto do tanque tirada em Setembro de 2012.
2.3
Ensaios de Campo e Laboratório
Inicialmente, a areia utilizada no tanque passou
por ensaios de campo e laboratório para sua
caracterização. Determinou-se a densidade da
areia no tanque e em seguida, foram feitos
ensaios de caracterização, como Granulometria,
Difração de Raio-X (DRX) e Espectroscopia
Dispersiva de Raios-X (EDX); além do ensaio
de Cisalhamento Direto.
2.4
Processo Executivo das Estacas em
Modelos Reduzidos
O tipo de estaca considerada nesta pesquisa
envolve
um
dos
principais
métodos
construtivos: a cravação. Foram feitos três
modelos reduzidos em escalas diferentes
(pequena, média e grande).
As seguintes escalas e dimensões de estacas
foram consideradas:
Pequena: 1,5 cm de diâmetro e 60 cm de
comprimento;
Média: 3,6 cm de diâmetro e 130 cm de
comprimento;
Grande: 6 cm de diâmetro e 200 cm de
comprimento.
A relação de diâmetro e comprimento
utilizada foi na faixa entre 1/33 e 1/40, pois é
uma relação intermediária entre as estacas
curtas e as esbeltas. Atualmente, a maioria das
obras de fundações da cidade de Campos dos
Goytacazes utiliza relações próximas a essa.
O material utilizado para a confecção das
estacas foi o graute, um concreto de alta
resistência com agregados finos, alta fluidez e
de baixa retração.
O processo executivo das estacas prémoldadas de concreto foi feito com um
equipamento de cravação especial, com peso e
altura de queda adequada para cada escala
(Figura 3).
2.5
Ensaios de Prova de Carga no Tanque
Posteriormente, foram realizadas provas de
carga do tipo estática de carregamento rápido. A
instrumentação das estacas ensaiadas foi feita
através de extensômetros e as cargas aplicadas
no topo da estaca com macaco hidráulico foram
medidas com o sistema de célula de carga, o
que permite uma maior precisão dos resultados.
Os ensaios em escala pequena foram feitos
através de plataforma cargueira, pela sua baixa
capacidade de carga.
A Figura 4 ilustra a prova de carga na
estaca em escala média, utilizando macaco
hidráulico.
Figura 4. Ensaio de prova de carga.
Para cada escala, foram feitas duas provas
de carga. As estacas foram dispostas no tanque
respeitando a distância mínima de três vezes o
diâmetro da maior escala (d=6cm).
2.6
Métodos de Previsão de Capacidade de
Carga e Recalque
Figura 3. Cravação da estaca grande.
Entre os métodos estáticos de capacidade de
carga, encontramos os métodos racionais ou
teóricos, que utilizam soluções teóricas de
capacidade de carga e parâmetros do solo; e os
semiempíricos, que se baseiam em ensaios in
situ de penetração (CPT e SPT).
Nos métodos estáticos, é considerado o
equilíbrio entre a carga aplicada, o peso próprio
da estaca e a resistência oferecida pelo solo.
Esse equilíbrio é expresso por:
Qult + W = Qp,ult + Ql,ult
(1)
onde: Qult é a capacidade de carga da estaca;
W é o peso próprio da estaca;
Qp,ult é a capacidade de carga da ponta;
Ql,ult é a capacidade de carga do fuste.
Nesta pesquisa, foram utilizados para
critério de comparação dos resultados dos
ensaios, os métodos racionais ou teóricos. Para
a resistência de ponta foram consideradas as
soluções de Terzaghi e Meyerhof, de acordo
com as fórmulas a seguir:
Qp,ult = 1,2 c Nc + γ L Nq + 0,6 γ B/2 Nγ
(2)
Qp,ult = c Nc + Ks γ L Nq + γ B/2 Nγ
(3)
3
RESULTADOS E DISCUSSÕES
3.1
Ensaios de Campo e Laboratório
A determinação da densidade da areia foi feita
em três pontos, dois deles a uma profundidade
de 0,20 a 0,30 centímetros e um deles de 0,35 a
0,45 centímetros. A densidade relativa de
campo de 1,807 g/cm3 e a umidade de 5,0%
foram encontradas através da média entre os
três pontos.
A partir destes resultados, buscou-se
restituir a mesma densidade em laboratório para
o ensaio de cisalhamento direto.
Na análise por espectrometria dispersiva de
raios-X, os resultados são apresentados na
forma de óxidos. Observa-se na Tabela 1 que os
maiores valores encontrados são de óxidos de
silício, alumínio e potássio. Em menores
porcentagens encontram-se os óxidos de ferro
(III), de enxofre, de cálcio e de titânio.
Tabela 1. Composição química da areia utilizada.
Solução para solos granulares:
Qp,ult = Ks γ L Nq
Elemento Porcentagem
(4)
onde: c é a coesão;
B é o diâmetro da estaca;
L é o comprimento da estaca;
γ é o peso específico do solo;
Ks é o coeficiente de empuxo do solo
contra o fuste na zona de ruptura próximo a
ponta e varia de 0,5 para areia fofa a 1,0 para
areia densa;
Nc, Nq e Nγ são fatores de capacidade de
carga e dependem do ângulo de atrito do solo.
O método de previsão de recalque utilizado
foi baseado na Teoria da Elasticidade, uma
contribuição de Poulos e Davis, com a seguinte
definição:
w = Q Io / E B
onde: w é o recalque em mm;
Q é a carga de ruptura da estaca;
Io é o fator de influência;
E é o módulo de elasticidade;
B é o diâmetro da estaca.
SiO2
Al2O3
K2O
Fe2O3
SO3
CaO
TiO2
77,093%
11,951%
4,990%
1,942%
1,922%
1,153%
0,408%
A areia é caracterizada pelo ensaio de
Difração de Raio-X como uma areia quartzoza,
com presença de ortoclásio, caulinita e
resquícios de anatásio, como mostrado na
Figura 5. O anatásio justifica a presença de Ti
(Titânio) na eflorescência.
(5)
Figura 5. Resultados do DRX da areia utilizada.
Através do ensaio de granulometria
podemos perceber que o material é composto
basicamente por areia e pouco pedregulho fino.
Pelo sistema unificado de classificação dos
solos (USCS), a areia é classificada com SP, ou
seja, areia mal graduada, areia pedregulhosa,
com pouco ou nenhum fino. O gráfico relativo à
distribuição granulométrica pode ser visto na
Figura 6.
As tensões de ruptura, o ângulo de atrito e a
coesão estão indicados nas Tabelas 2 e 3,
respectivamente.
Tabela 2. Tensões de ruptura.
Ponto v (kPa)
01
12
02
25
03
50
max (kPa)
14
26
44
Tabela 3. Parâmetros da envoltória de ruptura.
ɸ’
38,9°
c’
0 kPa
3.2
Provas de Carga
As provas de carga realizadas nesta pesquisa
foram estáticas de carregamento rápido, de
acordo com a NBR 12131. A Tabela 4 mostra a
relação de estacas ensaiadas.
Tabela 4. Descrição das estacas ensaiadas.
Figura 6. Curva granulométrica da areia utilizada.
O ensaio de cisalhamento direto foi
executado com tensões normais de 12, 25 e 50
kPa, com velocidade constante de 0,38
mm/min.
As curvas obtidas no ensaio de
cisalhamento direto foram as vs. deslocamento
horizontal e deslocamento vertical vs.
deslocamento horizontal.
A partir destas curvas, traçou-se a
envoltória de ruptura, de onde foram obtidos os
parâmetros como: tensões de ruptura, ângulo de
atrito e coesão. A Figura 7 mostra a envoltória
de ruptura do material utilizado.
Estaca
Escala
Diâmetro
Profundidade
E01
E02
E03
E04
E05
E06
Pequena
Média
Grande
Pequena
Média
Grande
1,5 cm
3,6 cm
6cm
1,5 cm
3,6 cm
6 cm
60 cm
130 cm
200 cm
60 cm
130 cm
200 cm
Os resultados dos ensaios à compressão
foram obtidos através de curvas carga vs.
recalque, como mostra a Figura 8. Em todos os
ensaios, as estacas foram levadas à ruptura.
Figura 8. Curva carga vs. recalque da estaca E03.
Figura 7. Envoltória de resistência da areia utilizada.
A capacidade de carga de ponta das estacas
foi comparada aos métodos de previsão de
Terzaghi e Meyerhof (Solução Geral e para
Solos Granulares). A relação Qp,ult/Pu foi
calculada para cada elemento isolado e os
valores de média, desvio padrão e coeficiente de
variação estão apresentados nas Tabelas 5, 6 e
7.
Tabela 5. Comparação dos resultados de com o método
de Terzaghi.
Estaca Qp,ult (Kg) Pu (Kg) Qp,ult / Pu
E01
18,96
12
1,58
E02
191,29
60
3,19
E03
791,96
400
1,98
E04
18,96
10
1,90
E05
191,29
80
2,39
E06
791,96
320
2,47
Média
2,25
Desvio Padrão
0,57
Coef. de Variação
0,25
Tabela 6. Comparação dos resultados com o método de
Meyerhof.
Estaca Qp,ult (Kg) Pu (Kg) Qp,ult / Pu
bem grande na escala média, mas nas escalas
pequena e grande, a variação foi menor.
O método de Meyerhof se aproximou mais
dos resultados experimentais, principalmente a
solução para solos granulares, que utiliza
diferentes valores de coeficiente de empuxo de
acordo com a densidade da areia.
As menores relações Qp,ult/Pu foram
encontradas para as escalas pequenas e grandes
(E01 e E03), assim como o menor coeficiente
de variação foi encontrado no método da
Solução para solos granulares.
Os resultados experimentais de recalque
foram comparados às previsões calculadas pelo
método de Poulos e Davis, como mostrado na
Tabela 8.
Tabela 8. Comparação dos recalques com a contribuição
de Poulos e Davis.
Estaca Wc (mm) Wexp (mm) Wc/Wexp
E01
1,45
1,62
0,90
E02
3,33
11,27
0,30
14,53
8,97
1,62
E01
11,73
12
0,98
E03
E02
101,10
60
1,68
E04
1,45
2,01
0,72
E03
406,97
400
1,02
E05
3,33
3,02
1,10
E04
11,73
10
1,17
E06
14,53
5,66
2,57
E05
101,10
80
1,26
Média
1,20
1,27
Desvio Padrão
0,80
Média
1,23
Coef. De Variação
0,67
Desvio Padrão
0,25
Coef. de Variação
0,21
E06
406,97
320
Tabela 7. Comparação dos resultados com a Solução para
Solos Granulares.
Estaca Qp,ult (Kg) Pu (Kg) Qp,ult / Pu
E01
11,50
12
0,96
E02
97,97
60
1,63
E03
392,50
400
0,98
E04
11,50
10
1,15
E05
97,97
80
1,22
E06
392,50
320
1,23
Média
1,20
Desvio Padrão
0,24
Coef. de Variação
0,20
Estes resultados de recalque mostraram
uma variação elevada, que pode ser notada pelo
coeficiente de variação calculado. Esta variação
pode ter sido devido às diferenças entre os
parâmetros de cálculo e os utilizados no
modelo.
Como são utilizados modelos reduzidos, foi
considerado também o efeito escala destas
estacas. Os recalques calculados para as escalas
grandes tiveram maior variação dos recalques
obtidos nos ensaios. E a escala média (E05) foi
a que mais se aproximou dos valores
encontrados pelo método de Poulos e Davis.
4
Os resultados de capacidade de carga
obtidos nos ensaios e calculados de acordo com
o método de Terzaghi tiveram uma variação
CONCLUSÕES
De acordo com os resultados obtidos,
podemos concluir que os métodos de previsão
de capacidade de carga que mais se aproximam
dos resultados das provas de carga são o de
Meyerhof, principalmente a solução para solos
granulares.
O método de Meyerhof utiliza o coeficiente
de empuxo do solo Ks, que mostra um
diferencial nos valores pois permite considerar a
areia como densa ou fofa. E também possui
uma solução específica para solos granulares,
que é o material utilizado nesta pesquisa.
As escalas que obtiveram resultados mais
representativos de capacidade de carga foram a
pequena e a grande (E01 e E03). Já na
comparação do recalque, a escala média (E05)
teve resultados semelhantes de ensaio de prova
de carga e previsão de Poulos e Davis.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a CAPES pelo
financiamento do primeiro e segundo autor,
respectivamente.
REFERÊNCIAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
(2006). Estacas – Prova de carga estática - Método
de ensaio. Designação da norma: ABNT – NBR
12131/2006.
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
(2007). Estacas – Ensaios de carregamento dinâmico.
Designação da norma: ABNT – NBR 13208/2007.
Almeida Neto, J. A. (2002). Análise do desempenho de
estacas hélice contínua e ômega – Aspectos
executivos. Dissertação de Mestrado, Escola
Politécnica da Universidade de São Paulo. 193p.
Magalhães, P. H. L. (2005). Avaliação dos Métodos de
Capacidade de Carga e Recalque de Estacas Hélice
Contínua via Provas de Carga. Dissertação de
Mestrado, Universidade de Brasília. 270p.
Melo, L. R. T. (2011). Monitoração de Modelos Físicos
Reduzidos para Investigação do Comportamento de
Estruturas em Escala Real. Dissertação de Mestrado,
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São
Paulo. 261p.
Poulos, H. G. & Davis, E. H. (1980). Pile Foundation
Analysis and Design. New York, John Willey and
sons, 397 p.
Velloso, D. A.; Lopes, F. R. (2010). Fundações, Volume
2: Fundações Profundas – Nova Edição, São Paulo,
Oficina de Textos 2010. 569p.