COBRAMSEG 2008 - Modelo de Artigo

ESTUDO
DO
COLAPSO
DOS
SOLOS
PARA
DIMENSIONAMENTO DE FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS
Carlos Ernesto de Melo
UFCA, Juazeiro do Norte, Brasil, [email protected].
Ana Patricia Nunes Bandeira
UFCA, Juazeiro do Norte, Brasil, [email protected]
RESUMO: Solos colapsíveis são aqueles que sofrem um rearranjo das partículas devido ao aumento
da umidade e consequentemente uma redução de volume – recalque por colapso. Os recalques por
colapso podem causar danos à estrutura das edificações, desde os mais simples, como trincas, aos
mais problemáticos, como as rachaduras e desabamentos, quando suas fundações estão apoiadas nas
camadas superficiais do solo, ou seja, quando são utilizadas fundações diretas. O presente trabalho
tem como objetivo principal, mostrar a importância de analisar o potencial de colapso antes de se
dimensionar uma fundação superficial, assim como apresentar uma possível solução de
melhoramento do solo para que este tipo de fundação seja aceitável. A área de estudo trata-se do
solo de fundação do Cariri Garden Shopping, localizado em Juazeiro do Norte-CE, onde foi
detectado a presença de solo colapsível.
PALAVRAS-CHAVE: Colapso, Fundação, Solo não saturado.
1
INTRODUÇÃO
Em diversas regiões do semiárido brasileiro,
onde o solo se encontra na condição não
saturada por um longo período do ano, tem se
observado a existência de solos colapsíveis,
inclusive na Região do Cariri Cearense. Para
Cintra (2011) os solos não saturados merecem
uma atenção especial nas camadas acima do
nível d’água, pois apresentam altos índices de
vazio e baixo teor de umidade; que favorecem o
fenômeno do colapso. O colapso é o termo
utilizado para os recalques adicionais de uma
fundação devido ao umedecimento de um solo
não saturado, normalmente sem aumento nas
tensões aplicadas (Jennings e Knight, 1975). Os
recalques por colapso podem causar danos à
estrutura das edificações, desde os mais
simples, como trincas, aos mais problemáticos,
como as rachaduras e desabamentos (ver Souza
Neto, 2004 e Coutinho et al., 2010). Geralmente
o colapso se dá nas camadas superficiais do
solo, provocando problemas nas construções
quando essas estão apoiadas sobre fundações
rasas.
Para o desenvolvimento deste trabalho
analisou-se o solo de fundação da área de
expansão do Cariri Shopping, Juazeiro do
Norte/CE, pois o solo deste local apresentou
características de colapso. O objetivo deste
trabalho é mostrar a importância da análise de
colapso para o dimensionamento de uma
fundação superficial, assim como de propor um
método que torne possível a utilização desse
tipo de fundação após o melhoramento da
resistência do solo.
2 CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE
ESTUDO
2.1
Localização
O local escolhido para este estudo trata-se da
área de expansão do Cariri Shopping Center,
localizada na Região do Cariri, Sul do Ceará,
mais especificamente em Juazeiro do Norte. O
Cariri Shopping Center fica endereçado na Av.
Padre Cicero, nº 2555, situado a 7°13’24’’ ao
sul e 39º19’27’’ a oeste. A Figura 1 apresenta a
localização.
2.3 Características Geotécnicas
Figura 1. Localização do Cariri Shopping (Melo, 2013)
2.2
Aspectos Gerais da Obra
A obra de expansão do Cariri Shopping Center
apresenta como caracteristicas uma edificação
tipo térreo e duas lajes de estacionamento
superior. O vão entre os pilares são da ordem
de 8,0 a 10,0 metros de comprimento, com
carregamentos médios de 320 t, chegando até
480 t. O solo de fundação trata-se de um solo
não saturado, com baixo índice de resistência à
penetraçao
dinâmica
(Nspt<8)
e
consequentemente baixa capacidade de suporte.
Diante dessas características, o projeto da
fundação da área de expansão do Shopping foi
elaborado em estacas, do tipo escavada, com
diâmetros de 60 cm e atingindo uma
profundidade média de 15,0 m.
A área mais antiga da edificação do Cariri
Shopping Center está assente sobre sapata
isolada; devido a isto, o projeto inicial da
fundação da obra de expansão foi elaborada
também em sapata; no entanto, após a análise
das sondagens a percussão, verificou-se que as
camadas de solo apresentavam baixos índices
de resistência (apresentados mais adiante); este
fato alido às condições de carregamento da obra
contribuiu para a alteração do projeto, sendo
então a obra executada em fundação profunda.
Apesar das características do solo e da obra
do Cariri Shopping dar indícios de que não seria
viável a realização de uma fundação rasa, foram
realizadas análises em amostras indeformadas
de solo para verificar qual o nível de tensão que
o solo de fundação poderia suportar e se o
mesmo apresentaria potencial de colapso para o
nível de tensão da obra; também foram
realizados ensaios em amostras de solo
melhoradas por meio de compactação dinâmica.
A caracterização geotécnica da área de estudo
se deu por meio da análise dos relatórios de
sondagem à percussão e por meio de ensaios de
laboratório, realizados em amostras deformadas
e indeformadas de solo, coletadas numa
profundidade de 2,6 à 3,0 metros. Vale ressaltar
que durante as amostragens verificou-se que o
solo do local apresentava facilidade de
escavação e macro-poros visíveis a olho nu,
dando indícios de solos potencialmente
colapsíveis. Os ensaios realizados nas amostras
coletadas consistiram de ensaios básicos de
caracterização geotécnica (granulometria e
limites de Atteberg) e ensaios edométricos
simples e duplos (nas condições de umidade
natural e inundada), para avaliar o potencial de
colapso dos solos e ensaios de resistência ao
cisalhamento para o cálculo da capacidade de
carga.
2.3.1 Relatórios de Sondagem a Percussão
Em se tratando inicialmente dos relatórios de
sondagem à percussão, SPT, os mesmos
estiveram datados em 30 de novembro de 2010,
ou seja, no período seco da Região (ver
Bandeira et al., 2012). Analisando os perfis de
sondagens, tomou-se como referência quatro
resultados mais representativos da área de
estudo (Figura 2). Nos primeiros centímetros da
sondagem foi encontrado um aterro arenoso de
cor marrom, e nos nove metros seguintes foi
encontrada uma areia fina siltosa, de cor
avermelhada. A sondagem foi interrompida
numa camada de argila siltosa de cor variegada.
Nesses furos de sondagens não foi encontrado
nível d’água.
Observa-se na Figura 2 que a sondagem
SP03 apresentou os menores números de
golpes, com Nspt < 8 até a profundidade de 9,0
m dando indícios de um solo de baixa
capacidade de suporte; os demais furos de
sondagem apresentaram maiores índices de
resistência após 4,0m de profundidade (Nspt >
8). Os furos de sondagens SP01 e SP02
apresentaram Nspt maiores que 8 golpes a partir
de 2,0 m de profundidade.
Tabela 1 - Granulometria, dos Limites de Atterberg e a
Classificação Unificada dos Solos
# Peneira
(mm)
( % ) com
defloculante
( % ) sem
defloculante
pedregulho
> 2,00
0,3
0,3
areia grossa
0,60 - 2,00
2,7
2,7
areia média
0,20 - 0,60
47,0
47,0
areia fina
0,06 - 0,20
20,0
27,0
silte
0,002 - 0,06
12,0
21,5
argila
< 0,002
18,0
1,5
Material
Figura 2. Sondagens SPT do Solo do Cariri Shopping.
2.3.2 Ensaios
Geotécnica
Básicos
de
Caracterização
Os ensaios básicos de caracterização geotécnica
foram realizados de acordo com as normas
brasileiras: NBR 7181 para a granulometria; NBR
6459 para os limites de liquidez e plasticidade;
NBR 6508 para o peso específico dos grãos.
A Figura 3 apresenta a curva granulométrica
do material, obtida por ensaios realizados com e
sem defloculante; e a Tabela 1 apresenta o
resumo dos resultados obtidos.
ABNT
Argila
Silte
Areia
Fina Média
Pedregulho
Grossa
100
90
Percentual passando (%)
80
70
Sem def loculante
60
Com def loculante
50
40
30
20
10
0
0,001
0,010
0,100
1,000
10,000
100,000
Diâmetro dos grãos (mm)
Figura 3. Curva de granulometria do Solo do Cariri
Shopping. Fonte: Melo (2013)
Através da Figura 3 e da Tabela 1 observa-se
que a amostra apresentou uma granulometria
predominantemente grossa com menos de 50%
passando na peneira 0,075mm. O ensaio realizado
com defloculante apresentou percentual de areia
fina de 20%, silte de 12% e argila de 18%; já o
ensaio realizado sem defloculante apresentou
teores de areia fina, silte e argila de 27%, 21,5% e
1,5% respectivamente. Esses percentuais indicam
que no campo as partículas de argila se encontram
unidas às partículas de silte e areia fina, formando
grumos e deixando o solo mais poroso e mais
suscetível ao colapso.
Ensaios de Limites de Consistência
apresentaram Limite de Liquidez de 18% e o
Índice de Plasticidade nulo. A amostra foi
classificada como areno-siltosa (SM).
2.3.3 Ensaios de Colapsividade em Anéis de
Adensamento
A avaliação do potencial de colapso por meio
de ensaios de laboratório pode ser realizada
através de ensaios edométricos simples ou
duplos. A simplicidade e confiabilidade dos
resultados desses ensaios, como critério de
identificação e quantificação da colapsividade e
também para estudo da deformabilidade de
solos tem-se consagrado no meio geotécnico
mundial (Silva et al. 2010).
O ensaio edométrico simples consiste em
carregar o solo até uma determinada tensão e,
em seguida, após a estabilização das
deformações, o solo é umedecido, medindo-se
assim as deformações decorrentes (colapso). O
ensaio edométrico duplo consiste em obter duas
curvas de compressão edométrica (uma na
umidade natural e outro com o solo previamente
inundado). A diferença das deformações num
(1)
Onde:
Δe - variação do índice de vazios devido ao colapso;
e - índice de vazios antes da inundação,
correspondente à tensão de inundação.
0
Jennings e Knight (1975), também sugerem
uma classificação para o potencial de colapso
(PC) dos solos, para tensão de inundação de 200
kPa, da seguinte maneira: 0<PC<1 (não
apresenta problemas para obras de engenharia);
1<PC<5 (problema moderado); 5<PC<10
(problemático); 10<PC<20 (problema grave);
PC> 20 (problema muito grave); sendo o e0 da
Equação 1, o índice de vazios inicial da
amostra.
A Figura 4 apresenta os resultados dos
ensaios edométricos duplos realizados com
amostras indeformadas. Observa-se nesta Figura
uma diferença das curvas de compressibilidade
quando as amostras se encontram na condição
de umidade natural e quando está inundada.
Esta diferença indica a variação do índice de
vazios, caracterizando o colapso da amostra no
acréscimo das tensões aplicadas. Verifica-se
que o colapso também aumenta com o nível de
tensão aplicada.
Os potenciais de colapso foram determinados
para todos os níveis de tensões aplicados
(Tabela 2). Segundo o critério de Vargas
(1978), o solo natural é considerado colapsível a
partir da tensão de 20 kPa, onde o potencial de
colapso já atinge 3%. Segundo Jennings e
Knight (1975), o potencial de colapso do solo
em estudo, sob uma tensão de 10 kPa, já é
considerado de problema moderado; e quando o
solo está sob tensão de 160 kPa é considerado
de problema grave, apresentando potencial de
colapso próximo de 11% nesta tensão.
Tabela 2 – Potenciais de Colapso em Vários Níveis de
Tensão Segundo Vargas (1978) e Jennings e Knight (1975)
Tensão
(kPa)
Vargas (1978)
0,00
0,06
5,00
0,36
10,00
20,00
40,00
80,00
160,00
320,00
640,00
1280,00
1,92
3,06
4,87
7,55
11,11
13,90
16,38
16,98
Não
colapsível
Não
colapsível
Não
colapsível
Colapsível
Colapsível
Colapsível
Colapsível
Colapsível
Colapsível
colapsível
Jennings e Knight (1975)
0,06
0,36
1,92
3,05
4,84
7,45
10,82
13,23
15,19
15,02
Sem
problema
Sem
problema
Problema
moderado
Prob. moderado
Prob. moderado
Problemático
Problema grave
Problema grave
Problema grave
Problema grave
A Figura 5 apresenta os resultados dos
ensaios edométricos duplos realizados nas
amostras compactadas. Os resultados mostram
que a amostra compactada apresenta baixos
potenciais de colapso (PC<0,5%) nos níveis de
tensão aplicados, se enquadrando na categoria
dos solos não colapsíveis e sem problemas,
conforme os critérios de Vargas (1978) e
Jennings e Kinight (1975) respectivamente.
0,500
Solo Natural
0,450
Solo Inundado
0,400
Índice de Vazios
dado nível de tensão corresponde ao potencial
de colapso (Bandeira et al., 2012).
Para realização do ensaio de colapso foi
utilizado uma prensa edométrica tipo Bishop,
com aplicação de carga por meio de pesos sobre
um pendural com braço de alavanca 1/10. Os
procedimentos adotados foram baseados em
Ferreira (1995) e Souza Neto (2004). Os ensaios
foram realizados em amostras indeformadas e
em amostras compactadas; com objetivo de
verificar o colapso do solo na condição de
índice de vazios natural do solo e na condição
de um solo melhorado através de uma
compactação.
Vargas
(1978),
para
identificar
o
comportamento colapsível dos solos, considera
que um solo é colapsível quando o valor de PC
for maior que 2%, conforme a Equação (1):
0,350
0,300
0,250
0,200
0,150
0,100
0,050
1
10
100
1000
10000
Tensão Vertical (kPa)
Figura 4. Curva da Tensão Vertical x Índices de Vazios da
Amostra Indeformada
0,270
apresenta os resultados dos ensaios. Observa-se
nesta figura que o intercepto de coesão do solo
foi nulo e o ângulo de atrito efetivo foi de 35º.
Solo Wótima
0,250
Solo Saturado
Índice de Vazios
0,230
200
0,190
0,170
0,150
1
10
100
1000
10000
Tensão Vertical (kPa)
Figura 5. Curva da Tensão Vertical x Índices de Vazios da
Amostra Compactada
2.3.4 Ensaios de Compactação e de Resistência
ao Cisalhamento
Tensão Cisalhante (kPa)
0,210
y = 0,7692x + 0,0032
R² = 0,9987
C = 0,0 kPa; ϕ = 35º
150
100
50
0
A fim de se obter parâmetros para calcular a
tensão admissível do solo compactado, para o
dimensionamento de uma fundação rasa
apoiada
sobre
um
solo
melhorado,
primeiramente
realizou-se
ensaios
de
compactação na energia Proctor Normal. A
Figura 6 apresenta a curva de compactação.
Observa-se nesta figura que o solo apresentou
umidade ótima de 9% e densidade seca máxima
de 1,940 g/cm3.
Massa Específica Seca (g/cm3)
2,00
'
1,90
1,80
1,70
1,60
1,50
1,40
0
50
100
150
200
250
300
Tensão Normal (kPa)
Figura 7. Tensão Normal versus Tensão Cisalhante
(Fonte: Melo, 2013)
2.3.5 Cálculo da Tensão Admissível do Solo
Melhorado e Dimensionamento da Fundação
Superficial
Terzaghi (1943) supõe que a capacidade de
carga de um solo, qult, é a máxima tensão que, o
solo suporta, através de uma fundação direta,
sem causar a sua ruptura. Alcançada essa
tensão, a ruptura é caracterizada por recalques
incessantes, sem que haja aumento da tensão
aplicada. A capacidade de carga dos solos para
sapata quadrada é determinada conforme a
Equação 2:
1,30
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Umidade ( % )
(2)
Figura 6. Curva de compactação do solo estudado
Com os parâmetros do solo compactado
foram moldados corpos de prova e realizados
ensaios de cisalhamento direto em amostras
melhoradas. Os ensaios de resistência ao
cisalhamento do solo compactado foram
realizados na condição inundada, na prensa de
cisalhamento direto. A velocidade de
cisalhamento adotada para os ensaios foi a
mínima permitida pelo equipamento, no valor
de 1,63mm/min, de forma a possibilitar a
dissipação de pressão neutra e obter parâmetros
em termos de tensões efetivas. A Figura 7
Onde:
qult - capacidade de carga
c - coesão do solo;
γ - peso específico efetivo do solo na cota de apoio da
sapata;
B - menor dimensão da sapata;
Nc, Nq, Nγ - coeficientes de capacidade de carga (f (ϕ) e
do tipo de ruptura);
H - profundidade de assentamento.
Através dos parâmetros de resistência ao
cisalhamento do solo compactado foi possível
obter a capacidade de carga do solo nesta
condição. Considerando γ=1,6 g/cm³, cota de
assentamento (H) de 1,5 m, a sapata quadrada
de base (B) de 1,00 m e aplicando na Equação
(2), obteve-se um qult de 13,58 kgf/cm².
Adotando-se um fator de segurança igual a 3,
tem-se uma tensão admissível do solo no valor
de 4,53 kgf/cm².
Para o pilar mais carregado (295000 kgf),
considerando a tensão admissível encontrada
(4,53 kgf/cm²), verificou-se que a sapata
quadradade deveria ter base igual a 2,55 m, de
modo a transmitir ao solo uma tensão inferior à
sua tensão admissível. Através da análise do
bulbo de tensões, verificou-se que seria
necessário compactar o solo até uma
profundidade de 3,0 m abaixo da sapata, para
que assim, os possíveis recalques por
adensamento e por colapso se encontrem dentro
dos limites aceitáveis.
3 CONCLUSÕES
Os resultados deste estudo comprovaram a
importância da análise do potencial de colapso
dos solos, para elaboração de projetos de
fundações superficiais, em solos não-saturados.
Mostraram que a estrutura natural do solo
estudado lhe confere um potencial de colapso
de 3,0% a partir de uma tensão de 20 kPa.
Diante disso conclui-se que não seria
recomendada a utilização de uma fundação
superficial sobre o solo no seu estado natural,
para a obra em estudo.
Também se conclui que, ao compactar o solo
na energia do Proctor Normal, lhe conferindo
uma maior interação entre as partículas, com
redução do índice de vazios, há uma
minimização no potencial de colapso, passando
a apresentar valores menores que 0,5% nas
tensões aplicadas. O melhoramento do solo por
compactação também aumenta a capacidade de
carga do mesmo, contribuindo para a
viabilidade de execução de uma fundação
superficial, que é mais econômica que uma
fundação profunda.
Apesar das características do solo e da obra
de expansão do Cariri Shopping dar indícios
iniciais de que não seria viável a realização de
uma fundação rasa, os resultados apresentados
neste estudo mostraram que é possível a
utilização deste tipo de fundação, onde os níveis
de carregamentos podem ser suportados por
sapatas apoiadas em solos melhorados. Esses
resultados podem servir de subsídios para outras
obras a serem realizadas próximas da área de
estudo deste trabalho.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao Conselho Nacional
de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq e a Fundação Cearense de Apoio ao
Desenvolvimento Científico e Tecnológico FUNCAP pelo apoio dado ao desenvolvimento
deste estudo.
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