Estabilização de um Talude de Aterro Monitorado através de drenos verticais associados a drenos horizontais profundos



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ESTUDO DAS TENSÕES E DEFORMAÇÕES DO SOLO SOB FUNDAÇÃO SUPERFICIAL EM VERDADEIRA GRANDEZA
Leandro Neves Duarte - Doutorando em Engenharia Civil

Universidade Federal de Viçosa - Departamento de Engenharia Civil – Setor de Geotecnia



lneves@vicosa.ufv.br
Enivaldo Minette – Professor Associado II

Universidade Federal de Viçosa - Departamento de Engenharia Civil – Setor de Geotecnia



eminette@ufv.br

Resumo
O objetivo principal deste trabalho é avaliar as metodologias usualmente utilizadas para prever a capacidade de carga e recalques de fundações rasas rígidas assentes em solo residual de gnaisse. Para isso foi realizada uma prova de carga numa sapata quadrada de 0,80m de lado, situada na profundidade de 0,4m abaixo da superfície, durante a qual foram monitorados os deslocamentos verticais em diferentes profundidades, correspondentes aos diferentes bulbos de tensão, usando uma instrumentação especial a qual denominou-se “BETAS”. Para determinação das características mecânicas do solo foram executados os seguintes ensaios de campo: penetração (SPT), dilatométricos de Marchetti (DMT) e pressiométricos de Ménard (PMT), e de laboratório: caracterização e ensaios para a determinação das características de tensão-deformação e resistência, em amostras deformadas e indeformadas do solo.

O subsolo é muito homogêneo na região de influência do bulbo de tensões e é constituído de solo residual maduro de gnaisse, argilo-areno-siltoso, e com nível d’água bastante profundo.

O estudo demonstrou que as deformações de maior magnitude ocorrem até a profundidade “B” abaixo da profundidade de assentamento, sendo aproximadamente: 52 % delas até “½ B” e 86 % até “B”. Estas determinações forma realizadas após a estabilização dos deslocamentos e para uma tensão admitida como admissível do solo. O trabalho demonstrou também que os métodos baseados em informações ditas “de campo” permitiram a obtenção de bons resultados.

Introdução
No Brasil o tema de fundações de obras de pequeno porte ainda é um assunto que merece ser estudado, pois não envolve grande quantidade de capital. No entanto para o construtor ou proprietário, as fundações podem encarecer ou até inviabilizar a obra, principalmente quando as fundações são assentes em solos identificados como tropicais estruturados, como por exemplo, os solos porosos, ou ainda sobre solos colapsíveis. Obras de grande porte com fundações profundas (suporte para grandes cargas) têm o custo da infra-estrutura diluído no orçamento geral da construção.

Os deslocamentos (recalques) sofridos por fundações superficiais sob carregamentos têm sido uma preocupação constante de projetistas de edificações de pequeno e médio portes. Para os solos estratificados tais deslocamentos têm ainda maior significado, pois a contribuição de cada camada é função da repartição das tensões em cada profundidade.

No Brasil, algumas instituições de fomento à pesquisa têm dado bom incentivo para se pesquisar soluções alternativas de menor custo para fundações rasas e de obras de menor porte com o intuito de viabilizar a implantação destas obras. Isto vem sendo desenvolvido desde algum tempo em instituições tais como a Universidade Federal de Viçosa (Lopes, 1997; Silva, 2000; Araújo, 2001; Soares, 2003) e a Universidade de Brasília (Sousa e Cunha, 2003), dentre outras.
Campo Experimental
A prova de carga foi realizada no estremo norte do Campo Experimental da Agronomia, localizado no Campus da Universidade Federal de Viçosa – Viçosa-MG, seguindo-se o estabelecido pela NBR 6489. Como procedimentos de caracterização do subsolo, foram realizados os seguintes ensaios: SPT, PMT, DMT, além da execução de um programa de ensaios de laboratório.

A prova de carga foi realizada durante os meses de Março e Abril de 2006, com o solo em sua umidade natural. Para evitar a infiltração de água no solo, cobriu-se toda área do ensaio com uma lona plástica.

Procurou-se caracterizar mais detalhadamente o solo, na região correspondente ao bulbo de tensões, ou seja, até a profundidade igual a 2 vezes a dimensão do lado da sapata, segundo Schmertmann (1978). A granulometria encontrada na superfície de assentamento da sapata apresentou uma predominância de argila sendo a classificação segundo as porcentagens do material retido nas peneiras, uma argila areno-siltosa. Para se obter a tensão de pré-adensamento através do ensaio oedométrico, utilizou-se o método de Pacheco e Silva. Sendo e0 = 1,397 o valor encontrado da mesma foi de e a tensão vertical existente estimada é igual a logo a razão de sobre-consolidação (OCR) é igual a 3,3. Foram realizados ensaios triaxiais do tipo consolidado drenado por meio dos quais obteve-se os seguintes parâmetros de ruptura, ângulo de atrito ( = 21º ) e coesão (c = 65,2 kPa).
Investigações de Geotécnica de Campo
O ensaio SPT mostrou uma camada variando de 0,45 a 3,35m de argila arenosa com mica, com número de golpes médio igual á 10. Os dados obtidos através dos ensaios DMT e PMT são mostrados na tabela 1 e tabela 2, respectivamente.

Tabela 1 – Dados do DMT




Prof. (m)

Ed (Mpa)

M (Mpa)

Id

kd

0,60

6,90

22,60

0,91

22,60

0,80

7,70

22,00

1,15

14,80

1,00

10,00

23,90

2,00

8,80

1,20

15,70

41,70

1,91

11,90

1,40

15,30

38,90

1,79

10,50

1,60

14,40

35,30

1,61

9,50

1,80

14,90

35,40

1,61

8,70

2,00

12,40

25,30

1,69

6,20

2,20

13,70

27,20

1,80

5,80

Tabela 2 – Dados do PMT




Profundidade

(m)


Parâmetros de resistência

V0

(cm3)


P0

(cm3)


Vf

(cm3)


Pf

(cm3)


G

(kPa)


Em

(kPa)


Vl

(cm3)


Pl

(cm3)


0,60

155

10

330

251

1001,87

2664,98

795

360

1,20

140

10

242

261

1663,49

4424,88

765

437

1,80

105

12

241

260

1199,88

3191,69

695

383

2,40

95

9

198

225

1324,31

3522,67

675

367

3,00

113

9

223

196

1110,10

2952,87

711

312


A Prova de carga e o elemento estrutural
O ensaio de prova de carga foi realizado segundo a Norma NBR6489/84 conforme mostrado na Figura 1 e 2.

Figura 1 – Esquema Geral da Prova de carga


Figura 2 – Foto da prova de carga

A sapata tinha base quadrada de lado igual a 0,80 m construída em concreto armado com furos que permitiam a passagem dos dispositivos “BETA”. O elemento estrutural foi considerado rígido, já que, o balanço é menor que o dobro da altura. Conforme mostrado na Figura 3.

Figura 3 – Aspecto geral da sapata pré-fabricada de concreto armado

(dimensões em centímetros)
Para a determinação dos deslocamentos ao longo da profundidade referente à atuação do bulbo de tensões foram instalados 4 dispositivos “BETA”. Estes dispositivos são formados por barras de aço de 19 mm de diâmetro e comprimentos de 1,10; 1,5; 1,9 e 2,3. Em suas pontas foram fixados helicóides para garantir a fixação dos dispositivos no solo. No topo da haste, na superfície, assentavam-se extensômetros para medir os deslocamentos. Na Figura 4 apresentam-se os dispositivos “BETA” confeccionados para o ensaio, semelhantes aos medidores de deslocamento tipo “tell-tales” empregados por Briaud (1999). Com intuito de anular o atrito entre o solo e as hastes dos dispositivos, executaram-se pré-furos de maior diâmetro que das hastes metálicas. No final destes pré-furos os dispositivos eram introduzidos com movimentos giratórios para garantir o travamento dos helicóides nas respectivas profundidades, B/2 (0,40m), B (0,80m), 3B/2 (1,20m), 2B (1,60m).

Figura 4 – Detalhe dos dispositivos “BETA”



Análise das tensões de ruptura e admissível
Para uma melhor análise, as tensões de ruptura foram estimadas segundo os seguintes métodos: Terzaghi (1943), Teixeiras (1998), Ménard (1963), Massad (1986), Décourt (1998). Além dos métodos acima referidos idealizou-se uma hipérbole para a curva tensão x recalque da prova de carga. A este modelo sugeriu-se a denominação de método hiperbólico. Então procurou-se representá-las em conjunto com o gráfico da prova de carga, conforme mostra a Figura 5.


Figura 5 – Gráfico indicando as tensões de ruptura (calculadas, correlacionadas e extrapoladas)

Como se pode observar o método de Décourt (1998) foi o que mais se aproximou do resultado obtido na prova de carga.

A tensão de ruptura obtida através de método proposto por Teixeira & Godoy (1998), com base no índice do SPT, mostrou-se menos representativa do que o método proposto por Ménard (1963), baseado nos parâmetros de resistência obtidos através do ensaio PMT de pré-furo.

Ressalta-se que os métodos propostos por Meyerhof (1951, 1963), mostraram-se muito distantes com valores excessivamente altos de tensões de rupturas e, por este motivo, não estão apresentados na figura 5. Os resultados das tensões de ruptura são mostrados numericamente, em ordem decrescente em relação à aproximação do valor referencial, na Tabela 3.


Tabela 3 – Tensões de ruptura calculadas




Métodos

Tensão de ruptura (kPa)

SPT – Meyerhof (1963)

1354,16

Meyerhof (1951)

781,92

Terzaghi (1943)

561,19

Hiperbólico

459,21

Massad (1986)

425

PMT – Ménard (1963)

421,105

SPT - Teixeira & Godoy (1998)

400

Décourt (1998)

337,14


Análise dos recalques estimados
Também foram estimados os recalques da sapata na prova de carga a partir dos parâmetros encontrados nos ensaios de laboratório e de campo. Para os cálculos dos recalques, os acréscimos de tensões ao longo da profundidade foram estimados segundo método proposto por Fadum (1948).

Essas tensões são calculadas a partir de equações da Teoria da Elasticidade, nas quais a hipótese fundamental é a existência de uma relação constante entre as tensões e as deformações decorrentes.

Para uma melhor análise dos valores dos recalques determinados nos métodos anteriores, procurou-se representá-los em conjunto com o gráfico da prova de carga no seu trecho inicial (até 120 kPa). Conforme mostra a Figura 6.

Figura 6 – Gráfico de análise dos recalques
Para se analisar os recalques estimados com os alcançados na prova de carga, resolveu-se comparar o recalque equivalente a tensão de trabalho (98 kPa), sendo esta a metade da tensão equivalente a 25mm de recalque da sapata (196 kPa), conforme mostrado na Tabela 4.
Tabela 4- Recalques obtidos na Tensão de Trabalho (98 kPa)





Métodos

Recalque (mm)

erro. %

PMT - Ménard et al (1962)

6,15

-3,90625

SPT - Lei de Hooke

7,5

17,1875

SPT - Schmertmann et al (1970, 1978)

13,7

114,0625

DMT - Marchetti et al (1997)

5

-21,875

Prova de carga

6,4

-

Análise dos deslocamentos obtidos nos dispositivos "BETA”
Com intuito de melhorar a análise dos dispositivos “BETA”, foram representadas as curvas dos referidos dispositivos, em conjunto, sem o descarregamento, conforme mostrado na Figura 7.

Figura 7 – Curva Carga X Deslocamento do conjunto

Tal análise foi efetuada com base na carga total do ensaio, nos deslocamentos totais expressos em porcentagem e na profundidade de locação de cada medidor “BETA”. A Figura 8 mostra o resultado dos deslocamentos.

Figura8 – Gráfico de análise dos deslocamentos
Analisando-se o gráfico acima, conclui-se que:


  • até a profundidade igual a B/2, aconteceram 51,68% dos recalques;

  • até a profundidade igual a B, aconteceram 85,93% dos recalques;

  • até a profundidade igual a 3B/2, aconteceram 97% dos recalques;

  • até a profundidade igual a 2B, aconteceram 98,61% dos recalques.

Tais dados podem corroborar os dados obtidos por Briaud (1997), onde concluiu-se que a maior porcentagem dos recalques (78%) estão concentrados a uma profundidade igual a B (dimensão característica da sapata) e 97% dos mesmos aconteceram até uma profundidade igual a 2B. Tais valores ressaltam uma relevante coerência com os resultados encontrados nesta pesquisa.

Conclusões
Na presente pesquisa, procurou-se estudar o comportamento de uma prova de carga direta instrumentada, numa sapata rígida de concreto armado, quadrada, de lado igual a 0,80m, assente a uma profundidade de 0,50m.

O ensaio de prova de carga apresentou para um recalque de 6,4mm, uma tensão de trabalho de 98 kPa.

As comparações com as tensões de ruptura calculadas resultaram nas seguintes conclusões:

O modelo Hiperbólico mostrou-se pouco apropriado para base de comparação nessa pesquisa.

A tensão de ruptura obtida através de método proposto por Teixeira & Godoy (1998), com base no NSPT, mostrou-se menos representativa do que o método proposto por Ménard (1963), baseado nos parâmetros de resistência obtidos através do ensaio PMT de pré-furo.

Os métodos propostos por Meyerhof (1951, 1963), mostram-se muito conservadores.

O método proposto por Décourt (1998) baseado na prova de carga mostrou-se o mais satisfatório para obtenção da tensão de ruptura já que se aproximou do trecho mais assintótico da curva tensão - recalque.

Para a instrumentação foram usados dispositivos medidores de deslocamento, denominados dispositivos “BETA”, locados nas profundidades 0,5B, 1B, 1,5B, 2B, com a finalidade de se analisar os deslocamentos ao longo do bulbo de tensão.

Em relação a deformabilidade do solo – análise dos dispositivos “BETA”, os deslocamentos foram compatíveis com a teoria de atuação do bulbo compreendida em 2B.

Na comparação dos recalques, avaliaram-se os mesmos à partir da estimativa da tensão de trabalho mostrado na tabela 3, sendo assim conclui-se:

O método de Marchetti et al. (1997) baseado nos parâmetros do ensaio DMT e o método de Ménard (1962) baseado nos parâmetros do ensaio PMT, mostram-se bastante satisfatórios, para tal propósito;

O comportamento da curva carga x recalques obtidos no método de Marchetti et al. (1997), representou com grande precisão o trecho elástico da curva carga x recalque da prova de carga da sapata;

Os dispositivos “BETA” mostraram os seguintes resultados:


  • profundidade igual a B/2, aconteceram 51,68% dos recalques;

  • profundidade igual a B, aconteceram 85,93% dos recalques;

  • profundidade igual a 3B/2, aconteceram 97% dos recalques;

  • profundidade igual a 2B, aconteceram 98,61% dos recalques.

Os valores acima determinados confirmam a teoria que a maior porcentagem dos deslocamentos acontece até uma profundidade igual a 2B.
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