avaliação da capacidade de carga de estacas raiz e

AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE DE CARGA DE
ESTACAS RAIZ E ESCAVADA CONVENCIONAL,
INSTRUMENTADAS, EM SOLOS DE DIABÁSIO
Paulo José Rocha de Albuquerque
Unicamp, Campinas, Brasil, [email protected]
Bárbara Nardi Melo
Unicamp, Campinas, Brasil, [email protected]
David de Carvalho
Unicamp, Campinas, Brasil, [email protected]
Rogério Carvalho Ribeiro Nogueira
Unicamp, Campinas, Brasil, [email protected]
RESUMO: Apresenta-se neste trabalho a análise da capacidade de carga de estacas escavada
convencional e raiz (L=12,0m e φ=0,40m), instrumentadas em profundidade, submetidas à esforços
de compressão, através da realização de prova de carga. As estacas foram executadas no Campo
Experimental da Unicamp, Campinas-SP, em local cujo subsolo é constituído de solo de diabásio,
comum a esta região. No interior das estacas foram instalados extensômetros elétricos de resistência
com a finalidade de obter a curva de transferência de carga em profundidade. Foram executadas
provas de carga do tipo lenta, seguindo-se as prescrições da NBR 12.131/92. São apresentados e
analisados todos os resultados obtidos com as instrumentações instaladas no topo e ao longo do
fuste das estacas, com determinação das parcelas de capacidade de carga por atrito lateral e de
ponta. Foi verificado que as estacas desta pesquisa absorveram maior a parte da carga aplicada no
topo por atrito lateral. A carga de ponta representou pequena parcela da carga total, da ordem de 6%
e 4%, para estaca escavada e raiz, respectivamente. Com relação à aplicação dos métodos de
previsão de capacidade de carga, verificou-se que: os métodos de Lizzi e P.P. Veloso forneceram
valores próximos à ruptura para a estaca raiz, enquanto que para a estaca escavada foram os
métodos de Philipponat e Décourt&Quaresma. O trabalho mostra também a aplicação do conceito
de rigidez de Décourt (1998, 2008) como ferramenta promissora para obtenção da carga lateral de
uma estaca à partir dos resultados de provas de carga.
PALAVRAS-CHAVE: Estaca Escavada, Estava Raiz, Prova de Carga, Instrumentação em
Profundidade, Conceito de Rigidez.
1 INTRODUÇÃO
Grande parte das obras utilizam como
fundações aquelas do tipo profunda,
destacando-se as estacas. Este tipo de fundação
pode ser executada de diversas formas, como
por exemplo: com extração ou não do solo.
Destacam-se no primeiro processo as estacas
escavadas, estacas Strauss, Hélice Contínua,
estacas raiz etc; com relação à segunda forma
tem-se: estacas cravadas (pré-moldadas
concreto ou aço), estaca Franki, estaca Ômega
etc. É de conhecimento da comunidade técnica
que o processo executivo de uma estaca
interfere na sua capacidade de carga. Este
trabalho pretende fazer uma análise do
desempenho de dois tipos de estacas executadas
em solo de diabásio, poroso, laterítico e não
saturado. Para isso foram realizadas provas de
carga à compressão em duas estacas
instrumentadas em profundidade do tipo
escavada convencional e raiz, executadas no
Campo Experimental de Mecânica dos Solos e
utilizando extensômetros elétricos de resistência
instalados ao longo do fuste.
Fundações da Unicamp, Campinas, Estado de
São Paulo.
O recurso da instrumentação para a
determinação dos parâmetros de transferência
de carga em fundações é uma excelente
ferramenta. Esta metodologia é utilizada ao
longo de mais de 30 anos, tendo inicialmente
usado extensômetros mecânicos e mais
recentemente os elétricos. No Brasil os
primeiros relatos sobre instrumentação de
estacas datam do ano de 1975 com o trabalho
do Prof. Dirceu Velloso no Rio de Janeiro,
instrumentando estaca barrete com tell-tales
(Albuquerque, 2001). Desde aquela época, até
os dias de hoje esta técnica evoluiu, inclusive
com o crescimento da demanda por
instrumentação de fundações profundas.
Atualmente a técnica empregada, embora com
custos, é a instrumentação a partir de
extensômetros elétricos (strain-gages), ou
outros com o mesmo princípio mas que podem
ter tipos de fixação e campos de medida muitos
distintos
Neste trabalho serão apresentados dois casos
de estacas instrumentadas em profundidade,
2 CARACTERÍSTICAS
DO
EXPERIMENTAL DA UNICAMP
O subsolo da região é formado por magmatitos
básicos, ocorrendo rochas intrusivas básicas
(Diabásio). Perfazem 98 km2 da região de
Campinas, ocupando 14% da área total. O perfil
do Campo Experimental é constituído por solo
de Diabásio, apresentando uma camada
superficial de 6,5m de espessura constituída de
argila siltosa de alta porosidade seguida de uma
camada de silte argiloso (residual) até 20m.
A caracterização geotécnica do Campo
Experimental da Unicamp teve grandes
desenvolvimentos por Giacheti (1991), Monacci
(1995), Peixoto (2001), Albuquerque (1996,
2001) e Nogueira (2004), tendo consolidado as
linhas de pesquisa em Fundações em Solos
Tropicais (Carvalho et al. 2000). A figura 1
apresenta um esquema com algumas
características do perfil em causa no Campo
Experimental.
SPT-T
Perfil Típico
SPT
2
CPT
Nspt 60
T/Nspt 60
Granulometria
(%)
(golpes/30 cm) (N.m/golpes/30 cm)
0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 0
0
CAMPO
25
50
Rf (%)
qc (MPa)
fs (MPa)
75 100 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 0,0
Argila arenosa
Porosa
0,2
0,4
0,6
Elétrico
Mecânico
Vermelha
(Residual de
Diabásio)
4
CL
Silte Argiloso
10
Variegado
(Residual de
Diabásio)
12
ML
14
Argila
Profundidade (m)
8
Silte
Concreção
Areia
6
LG'
NG'
NA
16
18
20
Areia Fina
Siltosa
Variegada
(Solo de Alteração
de Rocha)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
22
Nível d'água = 13 a 16 m (variável)
Classificação Unificada
Classificação MCT
Figura 1. Resultados de ensaios de campo e laboratório (Giacheti et al., 2004).
(g)
3 CARACTERÍSTICAS DAS ESTACAS
3.1
Estaca Escavada Convencional
Foi
executada
uma
estaca
escavada
convencional (sem lama bentonítica) de 0,40m
de diâmetro e 12m de profundidade. A
armadura longitudinal da estaca constituiu-se de
quatro barras de aço de 16mm de diâmetro, com
6m de comprimento e estribos de 6,3mm de
diâmetro a cada 20cm (Aço CA-50). A
resistência à compressão característica do
concreto (fck) foi da ordem de 15MPa, sua
consistência (slump) de aproximadamente ±
70mm; utilizou-se-se brita 2 e areia. Para os
blocos de coroamento (0,7mx0,7mx0,7m)
utilizou-se
concreto
com
fck=25MPa.
Além desses elementos habituais, em
decorrência da instrumentação da estaca, fez-se
necessária a inserção de um tubo de aço vazado
também por toda extensão da mesma, onde,
preenchendo este vazio, fora injetada nata de
cimento.
3.2
e 18m de comprimento; foram colocadas
armaduras de 6m de comprimento, constituídas
por 4φb16,0mm (longitudinal), e estribos de
φb6,4mm a cada 20cm (Aço CA-50).
A viga de reação, perfil duplo “I”, com
largura total de 0,80m, altura de 0,75m,
comprimento de 5,30m e massa total da ordem
de 3100kg, foi projetada para suportar cargas
aplicadas em seu centro de até 1500kN.
O sistema de atirantamento foi composto por
barras especiais de aço (Dywidag) ST-85/105,
com 32,0mm de diâmetro, porcas, placas e
luvas de aço, todos fabricados com o mesmo
material empregado nos tirantes, do tipo
Dywidag. No interior de cada estaca de reação
foi colocada uma barra de 18,6m de
comprimento, imediatamente após a sua
execução (Figura 2).
Indicador de
deformação
Estaca Raiz
Relógio
comparador
Foi executada uma estaca raiz de 0,41m de
diâmetro nominal e 12m de profundidade. Com
relação ao elemento estrutural “estaca” o
mesmo foi constituído por argamassa de
cimento armada por toda sua extensão com uma
armadura longitudinal com seis barras de aço de
16mm de diâmetro e comprimento de 12m (ou
seja, sem emendas) e esta foi complementada
por estribos de 6,3 mm de diâmetro a cada
20cm (Aço CA-50).
Além desses elementos habituais, em
decorrência da instrumentação da estaca, fez-se
necessária a inserção de um tubo de aço vazado
também por toda extensão da mesma, onde,
preenchendo este vazio, fora injetada nata de
cimento.
4 SISTEMA DE REAÇÃO
Para cada estaca teste ensaiada utilizaram-se
duas estacas de reação alinhadas e espaçadas a
2,40m (6φ) da estaca teste. Estas estacas foram
do tipo hélice contínua com 0,40m de diâmetro
Célula de
carga
Macaco
hidráulico
Viga de
referência
Figura 2. Esquema do sistema de reação.
5
INSTRUMENTAÇÃO
PROFUNDIDADE
EM
A instrumentação foi baseada na utilização de
extensômetros elétricos de resistência ou
“Strain-Gages”, que é uma maneira indireta de
obtenção de deformações. Os mesmos são
resistências elétricas que, solidarizadas a um
determinado material (como o aço) fornecem
valores de deformação quando submetidos a
determinados tipos de esforços e a uma pequena
corrente elétrica (Albuquerque, 2001).
Nesta pesquisa utilizou-se a ligação tipo
“ponte completa”, com quatro extensômetros
especiais para aço (KFG-2-120-D16-11 ), a qual
permite eliminar os efeitos da temperatura e das
deformações provenientes da flexão, obtendo-se
as deformações provenientes somente dos
esforços normais.
Com o objetivo de obter informações
relativas à transferência de carga em
profundidade para as estacas submetidas à
compressão axial, foi instalada uma pequena
barra de aço instrumentada, calibrada, em cada
nível pré-determinado (seção de referência, 5m,
11,1m e 11,7m) (Figura 3). Após a inserção da
barra instrumentada foi injetada nata de cimento
de baixo para cima para a solidarização do
conjunto.
BLOCO DE COROAMENTO
SECÇÃO DE
REFERÊNCIA
Anteriormente ao início dos ensaios procedeuse a aferição da célula de carga.
As provas de carga, do tipo lenta (SML)
foram executadas conforme recomendações da
NBR 12131/92. Os carregamentos à
compressão foram aplicados em estágios
sucessivos, até deslocamentos que indicassem a
ruptura
do
sistema
solo-estaca.
Os
descarregamentos foram feitos com estágios de
20% da carga máxima obtida no ensaio.
7 RESULTADOS
7.1
Instrumentação no topo das estacas
Serão apresentados, a seguir, os resultados
obtidos através da instrumentação do topo das
estacas. Na Tabela 1, são apresentados os
valores de carga e de deslocamento máximos
atingidos nos ensaios. Na Figura 3, apresentamse as curvas carga vs deslocamento obtidas nas
provas de carga.
INSTRUMENTO
Tabela 1. Valores de carga e deslocamento máximos
obtidos nas provas de carga.
Estaca
Figura 3. Seção de referência.
Escavada
Raiz
Carga Máxima
(kN)
670
980
Deslocamento
Máximo (mm)
107,7
55,42
Carga (MN)
0,00
0
6 PROVAS DE CARGA
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
10
20
30
Deslocamento (mm)
Em uma prova de carga são obrigatoriamente,
realizadas medidas das cargas aplicadas e dos
deslocamentos axiais do topo da estaca. A
instrumentação do topo da estaca é realizada
com extensômetros mecânicos (deflectômetros).
Como, neste trabalho, as estacas teste foram
instrumentadas
em
profundidade
com
extensômetros elétricos (strain-gages), foi
possível, também, medir as deformações ao
longo do fuste das estacas ensaiadas, visando a
conhecer a evolução da transferência de carga
em profundidade da estaca para o solo.
As cargas aplicadas no topo da estaca foram
medidas com uma célula de carga com
capacidade para 2000kN, instalada entre o
macaco hidráulico e a viga de reação.
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Estaca Escavada
Estaca Raiz
Figura 3. Curvas carga vs deslocamento.
Observa-se a partir da Tabela 1 e Figura 3
que a carga máxima da estaca raiz foi superior a
escavada. A diferença entre os valores foi a
ordem de 46%, mostrando que o processo
executivo tem grande influência na capacidade
de carga. Pode-se verificar também através da
Figura 3 que as estacas apresentaram pequenos
deslocamentos para incrementos de cargas até a
carga de trabalho das estacas, mostrando que a
estaca trabalharam em grande parte por atrito
lateral.
As provas de carga foram conduzidas até se
obter deslocamentos no topo maiores que 10%
do diâmetro nominal da estaca. As estacas
atingiram a carga máxima com deslocamentos
da ordem de 27% e 14%, para a estaca escavada
e raiz, respectivamente.
7.2
Instrumentação em profundidade
Com a realização das provas de carga e da
instrumentação das estacas em profundidade,
foi possível obter: o módulo de elasticidade da
estaca; as cargas nos vários níveis
instrumentados ao longo do fuste e a carga de
ponta. Com esses dados, construiu-se o gráfico
de transferência de carga em profundidade.
Apresenta-se na Tabela 3 os valores dos
módulos de elasticidades das estacas. Esses
valores
foram
obtidos
a
partir
da
instrumentação da estaca em sua secção de
referência.
Tabela 3. Valores dos Módulos de elasticidade das
estacas.
Estaca
Escavada
Raiz
E (GPa)
19,3
17,2
Analisando a Tabela 3 pode-se perceber que
os valores de módulo de elasticidade das estacas
variam para cada tipo de estaca, isto foi
acarretado pelas propriedades do material de
preenchimentos das estacas serem diferentes. A
estaca escavada foi preenchida com concreto e a
estaca raiz com argamassa virada em obra
(VO).
Os valores de módulo de elasticidade
situaram-se, dentro dos limites esperados,
indicando
o
bom
funcionamento
da
instrumentação.
Apresenta-se na Figura 4 o gráfico de
transferência de carga, e na Tabela 4 os valores
de atrito lateral na ruptura.
980kN
980kN
670kN
670kN
0,6m
543kN
5,0m
12,0m
608kN
39kN
42kN
ESCAVADA
RAIZ
Figura 4. Transferência de carga na ruptura
Analisando a Figura 4 pode-se verificar que,
para estacas escavadas, maior parte da carga foi
absorvida no segundo trecho (5m a 12m),
enquanto, que na estaca raiz, este fato não foi
observado, a carga absorvida no primeiro trecho
(0,6m a 5m) foi praticamente igual ao do
segundo trecho. Nota-se que a carga transferida
para a ponta de ambas estacas foi muito
pequena, da ordem de 6% e 4%, para estaca
escavada e raiz, respectivamente
Tabela 4. Atrito lateral na ruptura.
Estaca
Escavada
Raiz
7.3
0,6m Æ 5,0m
21kPa
67kPa
5,0mÆ 12,0m
50kPa
64kPa
Previsão da Capacidade de Carga
Apresentam-se na Tabela 5 e 6 os valores de
previsão de capacidade de carga obtidos a partir
da aplicação de vários métodos e nas Figuras 5
e6
Tabela 5. Resultados dos Métodos Semi-Empíricos para
estaca raiz (sondagem média).
Método
A
B
C
D
E
F
Ensaio
CPT
SPT
SPT
SPT
SPT
SPT
CPT
Ql
(kN)
328
162
548
1010
347
449
655
Qp
(kN)
125
139
150
151
125
102
Qt
(kN)
453
301
698
1010
498
574
757
D - SPT
7.4
E - SPT
2,5
0,0
lateral
ponta
F - CPT
E - SPT
D - SPT
B - SPT
A - CPT
A - SPT
E - SPT
F - CPT
C - SPT
B - SPT
D - SPT
0,5
A - CPT
A - SPT
1,0
C - SPT
2,0
1,5
total
Figura 5. Transferência de carga na ruptura (raiz).
A - Aoki&Velloso (1975)
B - Décourt & Quaresma (1978)
C - Lizzi (1982)
D - David Cabral (1986)
E - Brasfond (1991)
F - P.P. Velloso (1981)
Quc = limite de RIG quando r →h
Tabela 6. Resultados dos Métodos Semi-Empíricos para
estaca raiz (sondagem média).
Método
Ensaio
CPT
SPT
SPT
SPT
CPT
CPT
A
B
C
D
E
Qp
(kN)
112
111
161
319
175
140
Ql
(kN)
135
259
358
173
499
778
Qt
(kN)
247
370
519
492
674
918
C - SPT
9,0
8,0
7,0
0,0
lateral
ponta
Figura 6. Transferência de carga na ruptura
A - Aoki&Velloso (1975)
B - Décourt & Quaresma (1978)
C - Meyerhof (1977)
D - Philipponat (1978)
E - P.P. Velloso (1981)
total
E - SPT
D - SPT
C - SPT
B - SPT
A - CPT
A - SPT
E - SPT
E - SPT
B - SPT
C - SPT
B - SPT
A - CPT
1,0
A - SPT
2,0
D - SPT
3,0
A - CPT
A - SPT
4,0
D - SPT
6,0
5,0
Conceito de Rigidez
O Conceito de Rigidez apresentado por Décourt
(1996) conduz a resultados da carga de ruptura
através do gráfico de rigidez, que permite a
visualização da “distância” que se está da
ruptura física e identifica o domínio de
transferência de carga pela ponta e o domínio
de transferência pelo atrito lateral (Décourt,
2008).
Considerando a rigidez (RIG) como a razão
entre a carga aplicada (Q) e o recalque (r)
correspondente, tem-se:
F - CPT
3,0
A - CPT
A - SPT
3,5
B - SPT
4,0
(1)
Considera-se ruptura física como sendo a
rigidez de um elemento isolado de fundação
nula, pressupondo deformação infinita.
RIG=Q/r → zero
(2)
O gráfico de rigidez deve ser plotado com os
valores de rigidez (RIG) em ordenadas e os
valores de carga (Q) em abscissas, para que se
determine a carga que leva à rigidez nula. A
carga extrapolada por Décourt corresponde à
interseção da parte da curva que tende a uma
reta com o eixo das abscissas (CAMPOS et al,
2008).
Segundo Décourt (1998, 2008), o gráfico de
rigidez mostra duas situações típicas distintas:
As fundações que praticamente não rompem
(estacas escavadas) e as fundações que rompem
(estacas de deslocamento) que neste caso
definem
claramente
tanto
a
ruptura
convencional quanto a ruptura física.
De acordo com Décourt (2008), em provas
de carga levadas a grandes carregamentos, o
domínio da ponta e o domínio do atrito lateral
podem ser identificados. No trecho cujo
domínio de ponta é predominante, a relação
entre a carga e a rigidez tende a uma curva e
onde o domínio do atrito lateral é dominante, a
relação é linear. Com os valores de carga e
recalque dispostos em ordem decrescente,
estabelecem-se correlações lineares entre log Q
(carga) e log s (deslocamento) para determinar
os coeficientes de correlação R2. Adota-se então
a correlação que abrange o maior número de
pontos e o maior valor de R2, como o exemplo
da Figura 7.
Tabela 7. Valores medidos e calculados de carga lateral
(Ql).
Estaca
Ql(kN)
*
Escavada
630
Raiz
938
Ql(kN) calculado
Intervalo de
Valor
variação
central
656 ≤ Ql ≤
650
650
893 ≤ Ql ≤
910
920
* Medido na prova de carga
Analisando a Tabela 7, tem-se que os
resultados obtidos por meio da instrumentação
condizem com aqueles obtidos pelo método,
fornecendo valores muito próximos entre si.
CONCLUSÕES
Figura 7. Gráficos de rigidez (Melo, 2009).
O método foi aplicado para as estacas deste
trabalho, fornecendo as curvas das Figuras 8 e
9.
II
1,6
Rigidez (MN/mm)
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Q (MN)
Figura 8. Gráfico de Rigidez - escavada (Melo, 2009).
II
10
9
Rigidez (MN/mm)
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Q (MN)
Figura 9. Gráfico de Rigidez – raiz (Melo, 2009).
1,2
A pesquisa permitiu chegar a várias conclusões:
- A técnica de instrumentação e a forma de
instalação empregados mostraram excelente
desempenho, podendo ser utilizada em vários
tipos de fundação profunda,
- As estacas absorveram, em relação à carga
total, pouca carga na ponta, em média de 6%
para a estaca escavada e 4% para a estaca raiz,
- Em termos de distribuição ao longo do fuste, o
atrito lateral unitário foi crescente com a
profundidade para a estaca escavada, o que era
esperado, pois a camada inferior de solo é mais
resistente. Quanto à estaca raiz, pode-se dizer
que o atrito lateral foi da mesma ordem de
grandeza, mostrando que o processo executivo é
fator preponderante na definição da capacidade
de carga por atritol lateral,
- Verificou-se que, para previsão do atrito
lateral da estaca escavada, os métodos de
Philipponat e P.P. Velloso foram que
apresentaram valores mais próximos àqueles
obtidos pela instrumentação, enquanto que, para
a estaca raiz, os métodos que apresentaram
valores mais próximos foram os de Lizzi e P.P.
Velloso,
- Com relação à previsão da carga de ponta,
nenhum método apresentou resultado próximo à
instrumentação. Os métodos super estimaram os
resultados, em geral, valores superiores a 300%,
- Quanto à previsão da carga de ruptura total o
método de P.P. Velloso apresentou bons
resultados para ambas estacas. Além deste
método,
verificou-se
que
o
método
Décout&Quaresma apresentou bons resultados
para a estaca escavada e o método de Lizzi para
estaca raiz,
- O conceito de rigidez apresentou como uma
ferramenta promissora para a obtenção da carga
lateral de ruptura em provas de carga.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o Eng. Luciano Décourt
pela especial atenção e a disposição em atendêlos.
REFERÊNCIAS
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A.B.N.T. (1996) Fundações Profundas NBR6122. Rio de
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Albuquerque, P.J.R. (1996) Análise do comportamento de
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instrumentada, em solo residual de diabásio da
região de Campinas. Dissertação de Mestrado,
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola,
Unicamp, 170f.
Albuquerque, P.J.R. (2001) Estacas escavadas, hélice
contínua e ômega: estudo do comportamento à
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Seminário Brasileiro de Investigações de Campo BIC, São Paulo, SP, Vol.3, p. 90-100.
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Monacci, M.D. (1995) Estudo da colapsibilidade de um
solo do campo experimental da Faculdade de
Engenharia Agrícola – Unicamp. Dissertação de
Mestrado, Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Agrícola, Unicamp, 114p.
Nogueira, R.C.R. (2004) Comportamento de estacas tipo
raiz, instrumentadas, submetidas à compressão axial,
em solo de diabásio. Dissertação de Mestrado,
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil,
Unicamp, 204p.
Peixoto, A.S.P. (2001) Estudo do ensaio SPT-T e sua
aplicação na prática de engenharia defundações.
Tese de Doutorado, Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Agrícola, Unicamp.