CAPACIDADE DE CARGA DE ESTACAS HÉLICE CONTÍNUA PREVISÃO POR MÉTODOS SEMI-EMPÍRICOS versus PROVAS DE CARGA

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1 CAPACIDADE DE CARGA DE ESTACAS HÉLICE CONTÍNUA PREVISÃO POR MÉTODOS SEMI-EMPÍRICOS versus PROVAS DE CARGA Carla Therezinha Dalvi Borjaille Alledi, Professora CEFETES Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo. Uberescilas Fernandes Polido, Diretor GEOCONSULT Consultoria de Solos e Fundações Ltda. geoconsult@geoconsult.com.br RESUMO Este trabalho apresenta e compara a capacidade de carga obtida por provas de carga estática e por métodos semi-empíricos para estacas hélice contínua monitoradas. As estacas foram executadas numa área experimental na região litorânea da cidade de Vitória-ES. O perfil geotécnico é formado por solos sedimentares constituídos por camadas de areia entremeadas por camadas de argila mole de pequena espessura, pertencentes ao Período Quaternário. Foram executadas duas estacas teste, de 0,40m de diâmetro, com comprimento de 8,0m e 12,0m, instrumentadas em profundidade com strain-gages, em quatro níveis. São analisados diversos métodos semi-empíricos de capacidade de carga com base no SPT, SPT-T, CPT e DMT. Dentre os métodos analisados, o método Décourt-Quaresma (1978) modificado por Décourt (1996), com base no SPT-T, apresentou cargas de ruptura total próximas as obtidas experimentalmente. Já os métodos Alonso (1996), Décourt-Quaresma (1978) modificado por Décourt (1996) e Peixoto (2001), com base no SPT-T e o método de Peiffer et al.(1991) com base nos resultados de DMT, mostraram-se bons indicadores da parcela de carga por atrito lateral.

2 INTRODUÇÃO A estaca hélice contínua monitorada tem sido cada vez mais utilizada por possuir uma tecnologia que proporciona a execução das fundações de forma rápida e, o que é mais importante, com mínimo de vibração e barulho, estabelecendo uma grande vantagem, nesse aspecto, quando comparada, por exemplo, com as estacas cravadas. No Estado do Espírito Santo, esse tipo de estaca foi executado, pela primeira vez, na cidade de Vitória, em fevereiro de 1999, por uma empresa de São Paulo. Ao final do ano de 1999, uma empresa sediada em Vitória-ES, iniciou a execução de estacas hélice contínua monitoradas tornando-as mais competitivas como alternativa de fundação, comparativamente com outras estacas, usualmente, empregadas na região, como estacas pré-moldadas de concreto, tipo Franki e estacas de trilhos usados. Atualmente, é crescente o emprego de estacas hélice contínua monitoradas como fundação e também como contenção de terrenos vizinhos (escoramentos) em obras de edificações, no Estado do Espírito Santo. No entanto, estudos mais aprofundados sobre essas estacas e os métodos semi-empíricos existentes para previsão de sua capacidade de carga foram estabelecidos com base em provas de carga realizadas em solos residuais e/ou sedimentares do Período Terciário. Na opinião de Alonso [1], na engenharia de solos, não existem métodos universais. Assim, os métodos de previsão de capacidade de carga de estacas devem ser aplicados apenas aos solos da região onde esse método foi estabelecido. Sua extrapolação para outras regiões deve ser feita com critério, procurando aferi-lo por meio de provas de carga estática. Este estudo enfoca a capacidade de carga de estacas hélice contínua monitoradas, de 0,40m de diâmetro, com comprimentos de 8,0 e 12,0m, em perfil geotécnico sedimentar pertencente ao Período Quaternário. Os resultados da capacidade de carga obtidos, experimentalmente, por meio de provas de carga instrumentadas, levadas até a ruptura foram comparados com as previsões de capacidade de carga dos principais métodos semi-empíricos propostos na literatura. Foram analisados métodos que utilizam resultados de ensaios SPT, SPT-T, CPT e DMT. ÁREA EXPERIMENTAL A área experimental localizada na região litorânea da cidade de Vitória, Espírito Santo, apresenta perfil geotécnico formado, basicamente, por solo sedimentar constituído por camadas de areia, entremeadas por camada de solo argiloso mole, pertencentes ao Período Quaternário. Para a investigação geotécnica da área experimental, foram executados diversos tipos de ensaios de campo, compreendendo sondagens de simples reconhecimento com medida de torque (SPT-T), ensaio de penetração estática com cone de Delph (CPT), ensaios dilatométricos (DMT) e ensaios de laboratório. Dados dos ensaios podem ser obtidos em Alledi [2]. O perfil geotécnico individual das sondagens SPT-T1 e SPT-T6 executadas no centro de cada estaca teste EH1 e EH2, respectivamente está apresentado em Alledi et al [3]. Foram executadas oito estacas hélice contínua sendo duas estacas teste com 0,40m de diâmetro, com comprimento de 8,0 e 12,0 m, instrumentadas em profundidade com strain-gages e seis estacas de 0,50m de diâmetro e 10,0m de comprimento que serviram de reação durante a realização das provas de carga. Nas estacas teste, além da armadura longitudinal, um tubo de aço galvanizado foi introduzido no centro da estaca conforme procedimento recomendado por Albuquerque [4]. No interior desse tubo galvanizado foram introduzidas as barras instrumentadas com strain-gages. Detalhes sobre execução das estacas e instrumentação ao longo da profundidade estão apresentados em Alledi [2]. PROVAS DE CARGA Apesar da evolução dos métodos semi-empíricos para se prever a capacidade de carga de estacas, o meio mais confiável para se avaliar a carga que uma determinada estaca pode suportar é a prova de carga estática. De acordo com Velloso [5], a prova de carga estática é o único ensaio que reproduz as condições de trabalho de uma estaca. Foram realizadas quatro provas de carga (PC) à compressão nas duas estacas teste para determinação experimental da capacidade de carga das estacas hélice contínua monitoradas. Das quatro provas de carga realizadas, duas foram executadas com carregamento lento (SML) e duas com carregamento rápido (QML). As provas de carga do tipo rápida foram executadas após realização das provas de carga lenta tendo como

3 objetivo principal verificar a mobilização da resistência de ponta. As máximas cargas obtidas para as estacas hélice contínua deste trabalho, nas PC lenta e rápida, ficaram próximas uma da outra. As provas de carga foram executadas conforme recomendações da norma brasileira [6] e pelo procedimento de carga controlada. O controle da carga na cabeça da estaca, para mantê-la constante em todo o estágio, era feito pela leitura da célula de carga. Os carregamentos à compressão foram aplicados em estágios sucessivos, até a ruptura do sistema solo-estaca tanto para o carregamento lento quanto para o carregamento rápido. Os deslocamentos verticais sofridos pelas estacas teste EH1 e EH2 foram medidos, simultaneamente, por quatro extensômetros mecânicos instalados no topo do bloco de coroamento e dispostos em dois eixos ortogonais de acordo com o especificado pela norma brasileira. A descrição detalhada das provas de carga, destacando-s a preparação, os equipamentos e os materiais utilizados, o procedimento dos ensaios e as curvas carga x deslocamentos obtidas nas provas de carga lenta e rápida foi apresentado em Alledi et al.[3]. Na Tabela 1 estão especificados os valores de carga e de deslocamento máximos atingidos nos ensaios. Tabela 1- Valores de carga e deslocamento máximos obtidos nas provas de carga Estaca Ensaio Carga Máxima Deslocamento Máximo (mm) EH1 Lento ,99 Rápido ,79 EH2 Lento ,97 Rápido ,84 Conforme mostrado na Tabela 1, apesar de ter havido um recalque considerável (>10% do diâmetro nominal da estaca) durante a realização das provas de carga, a forma das curvas carga x deslocamento nas PC lentas [2], [3] e [7] não apresenta um pico caracterizando ruptura bem definida. Assim, determinou-se a carga de ruptura das estacas EH1 e EH2 por meio de métodos matemáticos, cujos resultados estão na Tabela 2. Tabela 2 Carga de ruptura das estacas por meio de métodos matemáticos Estaca Método Carga de Ruptura Norma Brasileira 565 De Beer 700 EH1 90% Brinch - Hansen 705 Füller e Hoy 700 Norma Inglesa 10% D 715 Norma Brasileira 845 De Beer 1000 EH2 90% Brinch - Hansen 1050 Füller e Hoy 1000 Norma Inglesa 10% D 1020 D: diâmetro da estaca Observando-se a Tabela 2, verifica-se que o valor da carga de ruptura obtido pelo método da norma brasileira foi inferior aos demais métodos que apresentam valores próximos entre si. Portanto, a carga de ruptura definida para a estaca EH1 foi 700kN e para a estaca EH2, 1000kN, valores estes que serão utilizados para verificação dos métodos de previsão de capacidade de carga. 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 determinar como ocorre a transferência de carga da estaca para o solo ao longo da profundidade. Assim, foi determinada, experimentalmente, parcela de capacidade de carga por atrito lateral e de ponta em cada estaca teste. Resultados da instrumentação ao longo da profundidade podem ser obtidos em [2] e [7]. Nas Tabelas 3 e 4, estão apresentados, respectivamente, para as estacas EH1 e EH2, os valores de carga no topo, carga em cada nível instrumentado e as percentagens de carga de ponta obtidos na prova de carga lenta. A carga de ponta foi calculada por extrapolação dos valores de carga obtidos nos dois níveis mais profundos.

4 Tabela 3 Valores de carga no topo, nos níveis instrumentados e porcentagem de ponta EH1 (PC lenta) Carga no Topo Carga no Nível % de Ponta 3,7m 6,8m 7,4m Ponta * ,4 35,3 20,6 13,2 13, ,3 54,4 35,3 25,8 12, ,5 64,7 45,6 36,1 12, ,7 73,6 53,0 42,7 10, ,8 79,5 63,3 55,2 11, ,8 88,3 73,6 66,2 11, ,6 103,3 89,6 82,7 11, ,8 111,6 97,8 90,9 12,6 * Valor extrapolado Tabela 4 Valores de carga no topo, nos níveis instrumentados e porcentagem de ponta EH2 (PC lenta) Carga no Topo Carga no Nível % de Ponta 5,85m 10,95m 11,55m Ponta * ,2 10,8 3, ,6 26,9 15,1 9,2 4, ,3 35,5 22,6 16,2 5, ,7 44,1 29,1 21,5 5, ,1 51,7 35,5 27,5 5, ,7 61,4 43,1 33,9 5, ,1 73,2 50,6 39,3 5, ,6 88,3 62,5 49,5 6, ,3 107,7 76,5 60,8 6, ,6 143,2 113,1 98,0 9, ,8 217,5 210,0 206,2 18,7 * Valor extrapolado Em todas as provas de carga realizadas neste trabalho, tanto da EH1 quanto da EH2, a ponta da estaca começou a ser mobilizada desde os primeiros estágios de carregamento. Para a estaca EH1, analisando-se a Tabela 3, verifica-se que a maior parte da carga aplicada no topo foi absorvida pelo atrito lateral com valor percentual de 88% considerando a carga de ruptura definida de 700kN. Para a estaca EH2, analisando-se a Tabela 4 verifica-se que a maior parte da carga aplicada no topo foi absorvida, também, pelo atrito lateral com valor percentual de 90% considerando a carga de ruptura definida de 1000kN. No ensaio lento, os valores percentuais obtidos para o atrito lateral nas duas estacas teste, 88% e 90%, confirmam a faixa de valores (80% e 85%) obtidos por Evers et al.[8] em perfil de solos arenosos com camadas de argila mole. MÉTODOS SEMI-EMPÍRICOS ANALISADOS Os resultados de previsão de carga de ruptura calculados com base em métodos semi-empíricos serão apresentados e comparados com os resultados experimentais obtidos nas provas de carga realizadas com carregamento lento. Neste trabalho, são apresentados métodos semi-empíricos desenvolvidos, especificamente, para estacas hélice e outros que foram adaptados por seus autores e colaboradores com parâmetros específicos para esse tipo de estaca. Os métodos semi-empíricos desenvolvidos, especificamente, para estacas hélice são: - Alonso [9] com base no SPT-T e adaptado ao SPT; - Antunes e Cabral [10] com base no SPT - Karez e Rocha [11] com base no SPT; - Vorcaro e Velloso [12] com base no SPT; - Gotlieb et al. [13] com base no SPT.

5 Dentre os métodos semi-empíricos adaptados a estacas hélice, serão apresentados para análise: - Aoki e Velloso [14] com contribuição de Monteiro [15] com base no CPT e SPT; - Décourt e Quaresma [16] modificado por Décourt [17] com base no SPT e adaptado ao SPT-T - Peixoto [18] com base no SPT-T; - Peiffer et al. [19] com base no DMT. Para previsão dos valores de capacidade de carga pelos métodos semi-empíricos, foram adotados os seguintes coeficientes: - método de Alonso: r l 200kPa; α= 0,65; β=150kpa/kgf.m (areia argilosa EH1) e β=200kpa/kgf.m (areia EH2) Valores da Bacia Sedimentar de São Paulo; - método de Antunes e Cabral: β 1 =5,0% (areia); β 1 =4,0% (areia siltosa); β 1 =3,5% (argila arenosa); β 1 = 4,0% ( areia argilosa); β 2 =2,0 ( areia argilosa EH1); β 2 =2,5 (areia EH2); - método de Karez e Rocha: K=250 (areia argilosa EH1); K=290 (areia EH2); - método de Aoki e Velloso: F1=3,0; F2=3,8 - Coeficientes propostos por Monteiro[15] e dados do CPT-02 [2]; - método de Décourt e Quaresma: α=0,30; β=1,0; K = 260kN/m² (areia argilosa EH1); K = 400kN/m² ( areia EH2); - método de Peiffer: Dados do DMT-03 [2]. Análise da estaca EH1 Na Tabela 5, são apresentados os valores de carga de ruptura lateral, de ponta e total calculados por meio dos métodos semi-empíricos com base na sondagem SPT-T1 [3] e os resultados experimentais obtidos com a PC lenta para a estaca EH1. A Figura 1 mostra a variação dos valores para carga de ruptura total e a Figura 2, cargas de ruptura lateral e de ponta. Tabela 5 Cargas de ruptura previstas pelos métodos semi-empíricos e obtidas na prova de carga lenta EH1 Prevista Prova de Carga Método Ensaio P l P p P rup P l P p P rup P rup-prev /P rup-pc Alonso [9] SPT-T ,11 SPT ,54 Antunes e Cabral [10] SPT ,44 Karez e Rocha [11] SPT ,75 Vorcaro evelloso [12] SPT * 1,90 Gotlieb et al.[13] SPT ,86 Aoki e Velloso [14] com CPT ,41 contribuição Monteiro[15] SPT ,44 Décourt e Quaresma [16] SPT ,14 modificado por Décourt [17] SPT-T ,92 Peixoto [18] SPT-T ,81 Peiffer et al. [19] DMT * Valor médio Analisando-se a Tabela 5 e a Figura 2 e tomando-se por base a prova de carga lenta, verifica-se que, com exceção dos métodos de Peixoto [18] e Décourt e Quaresma [16] modificado por Décourt [17], com base no SPT-T, os demais métodos analisados apresentaram valores de capacidade de carga total na ruptura superiores à prova de carga. Os métodos que mais se aproximaram do resultado experimental foram os de Décourt e Quaresma [16] modificado por Décourt [17] tanto considerando SPT quanto SPT-T e o de Alonso [9] com base no SPT-T. Ressalta-se que o método de Alonso [9] adaptado ao SPT, superestimou a carga de ruptura em 54%. Os métodos Karez e Rocha [11], Vorcaro e Velloso [12] e Gotlieb et al. [13] forneceram valores da carga de ruptura muito superiores (75% a 90%) à prova de carga.

6 Figura 1 Variação da carga de ruptura total prevista por vários métodos semi-empíricos x PC lenta EH1 Figura 2 Variação da carga lateral e carga de ponta prevista por vários métodos semi-empíricos e obtida na prova de carga lenta EH1 Quanto aos valores de carga lateral e de ponta (FIGURA 2), verifica-se que o método de Alonso [9] com base no SPT-T foi o que mais se aproximou do valor de atrito lateral, porém superestimou o valor da ponta. O método de Décourt e Quaresma [16] modificado por Décourt [17], com base no SPT, apesar de ter fornecido um valor próximo à carga de ruptura total superestimou o atrito e subestimou a ponta. O método de Peixoto [18] subestimou os valores de ponta e atrito lateral. Com relação à carga lateral, no geral, os métodos com base no SPT-T, Alonso (SPT-T), Décourt e Quaresma (SPT-T) e Peixoto (SPT-T) e o método de

7 Peiffer et al. (DMT) apresentaram resultados de atrito lateral a favor da segurança e próximos ao obtido experimentalmente. Os demais métodos apresentaram valores contra a segurança. O método de Karez e Rocha (SPT) foi o que mais se afastou do valor da prova de carga, superestimando o atrito, aproximadamente, em 80%. No geral, no que se refere à carga de ponta, os métodos Antunes e Cabral (SPT), Aoki e Velloso (SPT e CPT) e Décourt e Quaresma (SPT-T) apresentaram resultados próximos ao obtido experimentalmente. O método Antunes e Cabral [10], com base no SPT, foi o que apresentou melhor resultado do valor de ponta e o método de Gotlieb et al. (SPT) superestimou essa carga em cerca de quatro vezes e meia. Análise da estaca EH2 Na Tabela 6, são apresentados os valores de carga de ruptura lateral, de ponta e total calculados por meio dos métodos semi-empíricos com base na sondagem SPT-T6 [3] e os resultados experimentais obtidos com a PC lenta para a estaca EH2. A Figura 3 mostra a variação dos valores para carga de ruptura total e a Figura 4, cargas de ruptura lateral e de ponta. Tabela 6 Cargas de ruptura previstas pelos métodos semi-empíricos e obtidas na prova de carga lenta EH2 Prevista Prova de Carga Método Ensaio P l P p P rup P l P p P rup P rup-prev / P rup-pc Alonso [9] SPT-T ,25 SPT ,52 Antunes e Cabral [10] SPT ,61 Karez e Rocha [11] SPT ,90 Vorcaro evelloso [12] SPT * 2,40 Gotlieb et al. [13] SPT ,48 Aoki e Velloso [14] com CPT ,32 contribuição de Monteiro [15] SPT ,74 Décourt e Quaresma [16] SPT ,29 modificado por Décourt [17] SPT-T ,08 Peixoto [18] SPT-T ,05 Peiffer et al. [19] DMT * Valor médio Analisando-se a Tabela 6 e a Figura 3 verifica-se, de uma forma geral, que os métodos analisados apresentaram valores superiores à capacidade de carga total na ruptura obtida na prova de carga. Os métodos que mais se aproximaram do resultado experimental foram os métodos com base no SPT-T. Os métodos de Décourt e Quaresma [16] modificado por Décourt [17] e Peixoto [18] apresentaram os melhores resultados. Ressalta-se que o método de Alonso [9], adaptado ao SPT, superestimou a carga de ruptura em 52%. Os métodos Karez e Rocha [11], Vorcaro e Velloso [12] e Aoki e Velloso [14] com contribuição de Monteiro [15], com base no SPT, forneceram resultados superiores a 75% ao da prova de carga. Quanto aos valores de carga lateral e de ponta (FIGURA 4), verifica-se que o método de Peixoto [18] e Décourt e Quaresma [16] modificado por Décourt [17], com base no SPT-T, foram os que mais se aproximaram dos valores de atrito lateral e ponta obtidos experimentalmente. Os métodos com base no SPT de Gotlieb et al. [13] e Décourt e Quaresma [16] modificado por Décourt [17], apesar de terem fornecido um bom valor para a carga de ponta, superestimaram o atrito. Com relação à carga lateral, no geral, os métodos com base no SPT-T, Alonso (SPT-T), Décourt e Quaresma (SPT-T) e Peixoto (SPT-T) e o método de Peiffer et al. (DMT) apresentaram resultados de atrito lateral próximos ao obtido experimentalmente. Os demais métodos apresentaram valores superiores ao da prova de carga e o método de Karez e Rocha (SPT) apresentou resultado 67% maior que o obtido na prova de carga.

8 Figura 3 Variação da carga de ruptura total prevista por vários métodos semi-empíricos x PC lenta EH2 Figura 4 Variação da carga lateral e carga de ponta prevista por vários métodos semi-empíricos e obtida na prova de carga lenta EH2 No geral, no que se refere à carga de ponta, os métodos de Peixoto (SPT-T), Décourt e Quaresma (SPT e SPT-T) e Gotlieb et al. (SPT) apresentaram resultados próximos ao obtido experimentalmente. Os demais métodos superestimaram a carga de ponta sendo Aoki e Velloso (SPT) o que mais se afastou do valor da prova de carga.

9 CONCLUSÕES Ao se comparar os resultados de previsão de capacidade de carga obtidos por métodos semi-empíricos com os resultados experimentais de provas de carga lenta, para estacas hélice continua com comprimentos de 8,0 e 12,0m, conclui-se: - O método semi-empírico de Alonso [9], adaptado ao SPT, forneceu valores de carga total na ruptura, cerca de 50% superiores aos valores experimentais. - Para as duas estacas teste, o método Décourt e Quaresma [16] modificado por Décourt [17], com base no SPT-T, apresentou cargas de ruptura total próximas às obtidas experimentalmente. - Os métodos probabilísticos de Karez e Rocha [11] e Vorcaro e Velloso [12] foram os que mais se afastaram dos resultados das provas de carga, apresentando valores de carga de ruptura superestimados em mais de 75%. - Os métodos de Alonso [9], Décourt e Quaresma [16] modificado por Décourt [17] e Peixoto [18], com base no SPT-T, e o método de Peiffer et al. [19], com base nos resultados de DMT, mostraram-se bons indicadores da parcela de carga de atrito lateral. Considerando os resultados das duas provas de carga e examinando a carga de ruptura total, ponta e atrito lateral, verifica-se que o método que mais se aproximou dos valores obtidos nas PC lentas, mantendo segurança, foi o de Décourt e Quaresma [16] modificado por Décourt [17], com base no SPT-T. É importante ressaltar, no entanto, que a quantidade de provas de carga realizadas não é, estatisticamente, representativa, para conclusões definitivas com relação aos métodos de previsão de capacidade de carga para estacas hélice contínua monitoradas, com de 0,40m de diâmetro e comprimentos de 8,0 e 12,0m, executadas em solos sedimentares arenosos entremeados com camadas de argila mole de pequena espessura. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem às empresas DACAZA Engenharia, BRASCONTEC, CONCREVIT, STAN Fundações e Construções Civis, STACA, às instituições UFES, UFV, UNICAMP, às fundações FUNCEFETES, Fundação Ceciliano Abel de Almeida e a todas as pessoas que tornaram possível a realização deste trabalho. REFERÊNCIAS [1] ALONSO, U. R. Reavaliação do método de capacidade de carga de estacas hélice contínua proposto por Alonso em 96 para duas regiões geotécnicas distintas. In: SEMINÁRIO DE ENGENHARIA DE FUNDAÇÕES ESPECIAIS E GEOTECNIA. 4., 2000, São Paulo. Anais... São Paulo: ABMS, v. 2, p [2] ALLEDI, C. T. D. B. Comportamento à Compressão de Estacas Hélice Contínua, Instrumentadas, em Solos Sedimentares f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) Centro Tecnológico, Universidade Federal do Espírito Santo, Espírito Santo, [3] ALLEDI, C.T.D.B.; POLIDO, U.; ALBUQUERQUE, P.J.R. Provas de Carga em estacas Hélice Contínua Monitoradas em solos Sedimentares. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE MECÂNICA DOS SOLOS E ENGENHARIA GEOTÉCNICA, 13., 2006, Curitiba. Anais... Curitiba: ABMS, v. 2, p [4] ALBUQUERQUE, P.J.R. Estacas Escavadas, Hélice Contínua e Ômega: Estudo do Comportamento à Compressão em Solo Residual de Diabásio, através de Provas de Cargas Instrumentadas em Profundidade f. Tese (Doutorado em Engenharia) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, [5] VELLOSO, D.A. Ponto de vista: a engenharia de fundação, hoje. Encarte 5, Boletim ABMS, n. 68, 1998.

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