Resultado de Provas de Carga em Placa em Camadas de Materiais Granulares

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1 Resultado de Provas de Carga em Placa em Camadas de Materiais Granulares Fabian Corgnier Moretti Instrumentação e Investigações Geotécnicas Ltda, São Paulo, Brasil, fabian@morettiengenharia.com.br Denis Bergamini Lopes Moretti Instrumentação e Investigações Geotécnicas Ltda, São Paulo, Brasil, denis.bergamini@morettiengenharia.com.br RESUMO: O presente trabalho apresenta resultados obtidos em trinta provas de carga em placa, realizadas em aterro constituído de camadas de materiais granulares em área da Baixada Santista. A estratigrafia dos pontos ensaiados constitui-se basicamente de BGS, areia e rachão, com espessuras variáveis entre os locais. Em função das características e da diversidade dos carregamentos a que será submetida à área, foi desenvolvida metodologia específica de execução do ensaio, baseada em normas e procedimentos brasileiros e internacionais, com objetivo de se obter curva carga-recalque. Os resultados médios obtidos permitiram uma avaliação qualitativa do comportamento das camadas superficiais em função das cargas aplicadas. PALAVRAS-CHAVE: Prova de carga em placa, módulo de elasticidade, material granular 1. INTRODUÇÃO Por conta das características do solo natural local, fez-se necessária a execução de um aterro de material granular em uma área de grandes dimensões na Baixada Santista, constituído basicamente de camadas de areia, brita graduada simples (BGS) e rachão, com espessuras variáveis. A área em questão se destina a uma instalação industrial de grande porte, servindo, em parte para armazenagem de material e em parte para a instalação de galpões, além das vias de tráfego interno. Como o local do aterro se destina a um uso diversificado, sobre essas camadas está prevista a atuação de cargas de diferentes naturezas e características. Pelas informações do projeto, sabe-se que o aterro poderá ser submetido a cargas elevadas pontuais (equipamentos de grande porte), cargas distribuídas de longa duração (armazenagem de materiais e outros itens) e cargas móveis de diferentes magnitudes (passagem de veículos diversos), entre outros. Para avaliação do comportamento do aterro submetido a esses esforços, foi desenvolvida uma metodologia de ensaio baseada nas normas NBR 6489(1984) e NBR 1131(006) para fundações, DNIT 055(004) para pavimentos e ASTM D1196(004) também para pavimentos. Em mais de 30 pontos do aterro foram executadas provas de carga em placa, seguindo a metodologia desenvolvida e cujos resultados serão apresentados nos próximos itens. A partir das curvas obtidas nas provas, também foram calculados coeficientes de recalque e módulos de elasticidade, cujos valores e aplicabilidade também serão discutidos a seguir.. OBJETIVO Este trabalho tem por objetivo apresentar e avaliar os resultados obtidos em provas de carga em placa, realizadas sobre aterro de camadas granulares. A metodologia para realização das provas foi desenvolvida especificamente para o caso em questão, em função da diversidade dos carregamentos a que estará submetido o aterro. 3. CARACTERIZAÇÃO DO ATERRO DE

2 MATERIAIS GRANULARES As camadas de materiais granulares foram dispostas com espessuras variáveis em algumas regiões do aterro, em função de algumas premissas de projeto. Basicamente, a camada inferior constitui-se de BGS com espessura variável de 30 a 80cm, a camada intermediária (que pode ser ausente) tem 50cm de rachão e a camada superior de areia tem espessura entre 0 e 130cm. Na Tabela 1 a seguir, são apresentados os 34 pontos de ensaio com sua constituição (espessura das camadas de areia, rachão e BGS), data de realização do ensaio e tipo. As camadas foram agrupadas em 5 tipos de A a E em função das espessuras das camadas, para melhor avaliação de seu comportamento. Tabela 1. Identificação dos Pontos de Ensaio Espessura Ponto Data Areia Rachão BGS 43A 1/1/ A 86B 1/1/ A 86A 05/11/ A 31A 0/06/ A 83 07/01/ B 77 09/01/ B 40 14/11/ C 88 10/07/ C 89 /08/ C 74 9/11/ C 75 9/11/ C 61 8/05/ C 70 9/05/ C 66 6/07/ C 85 30/07/ C 60 19/06/ C 7 3/04/ C 73 4/04/ C 71 15/05/ C 6 16/05/ C 41 14/11/ D 34 09/01/ D 46 13/1/ D 45 13/1/ D Tabela1. Continuação. Espessura Ponto Data Areia Rachão BGS 37 18/1/ D 38 18/1/ D 48 30/07/ D 49 19/06/ D 50 0/06/ D 59 10/07/ D 58 19/08/ D 47 /08/ D 8 /10/ E 43 /10/ E Pela tabela, pode-se observar que o tipo A se refere aos pontos em que a seção transversal do aterro apresenta apenas camada inferior de BGS com 50cm de espessura. No tipo B, a espessura de BGS passa a 80cm. Já a seção transversal do tipo C possui camada inferior de BGS de 30cm, camada intermediária de rachão de 50cm e camada superior de areia de 80cm, e assim por diante. Para efeitos comparativos, neste trabalho, não estão sendo considerados aspectos como a metodologia de execução das camadas, seu grau de adensamento e as características dos materiais (como granulometria do BGS, por exemplo). Admite-se que em todos os pontos avaliados, não haja variação significativa desses aspectos. 4. METODOLOGIA DESENVOLVIDA PARA AS PROVAS DE CARGA Com o objetivo de se avaliar o comportamento do aterro de materiais granulares, para os diferentes tipos de carregamentos previstos, foi desenvolvida uma metodologia específica para as provas de carga diretas. Essa metodologia empregou como base alguns aspectos presentes na norma brasileira de prova de carga em placa NBR 6489(1984), como formato da placa; outros como etapas, critério de estabilização e instrumentação da norma de prova de carga em estacas NBR 1131(004); e aspectos referentes a ensaios de pavimentos da norma técnica do DNIT

3 055(004) e da norma norte-americana ASTM D1196(004). Pretende-se abranger, com uma única metodologia de ensaio, a maior gama de carregamentos possíveis, dentre aquelas a que o aterro estará submetido. Algumas situações particulares foram levadas em consideração no desenvolvimento da metodologia da prova, dentre as quais podese destacar: cargas concentradas de curta duração, cargas cíclicas e locais com variação do tipo de carregamento ao longo do tempo. A geometria das peças de apoio direto desses carregamentos também poderia apresentar grande variabilidade, o que levou à adoção de placa circular de 800mm de diâmetro para execução das provas (área de aproximadamente 0,5m²). A tensão de compressão máxima de projeto, para a maior parte dos carregamentos, era da ordem de 300kPa, o que levou à utilização de cargueira de cerca de kg, montada com blocos de concreto sobre pórtico de aço. Excepcionalmente foram realizadas provas de até 1.000kPa de tensão para avaliação de carregamentos também excepcionais, mas a grande maioria dos resultados restringe-se a pressões não superiores a 60kPa. O dispositivo de aplicação de carga é constituído por cilindro hidráulico (macaco) alimentado por bomba manual. Usualmente, o valor da carga aplicada é calculado a partir do valor de pressão observado no manômetro da bomba, mas neste caso, para obtenção de dados mais precisos e confiáveis, foi utilizada célula de carga com extensímetros elétricos, devidamente calibrada. Para medida dos deslocamentos verticais da placa, foram utilizados três extensômetros mecânicos, que permitem leituras diretas de 0,01mm. O deslocamento apresentado nos resultados é a média das leituras dos três instrumentos, em cada etapa. A Figura 1 ilustra a montagem proposta para a prova de carga. Figura 1. Sitema de reação para prova de carga em placa A aplicação de carga foi subdividida em estágios, ambos com carregamento crescente e gradual e descarregamento decrescente e gradual, sendo o primeiro levado até cerca de metade da carga máxima da prova. Dentro de cada estágio, são realizadas etapas de carregamento em que a carga é mantida até que se atinja o critério de estabilização dos deslocamentos verticais médios. O critério utilizado, que se baseou nas normas já citadas, considera que recalques entre intervalos de leitura, de uma mesma etapa, inferiores a 5% do recalque entre duas etapas consecutivas, configuram estabilização. Definiu-se ainda, que os acréscimos de carga em cada etapa deveriam ser da ordem de 10% da carga máxima do respectivo estágio. Procurou-se sempre obter um número razoável de pontos em cada estágio, de forma que o comportamento da curva pudesse ser bem caracterizado. Todas as provas deveriam ser conduzidas por essa metodologia até a ruptura (que de fato não ocorreu em nenhum caso) ou até a carga máxima prevista. 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES Primeiramente, os resultados de cada prova foram apresentados em dois gráficos, o primeiro contendo a curva carga x deslocamento e o

4 segundo a curva tensão x deslocamento. As Figuras e 3 contém uma representação típica desses gráficos. Figura. Curva Carga (kn) x Deslocamento (mm) da média dos extensômetros. dessa pressão e subsequente descarregamento e estabilização. A expressão (1) destina-se principalmente à avaliação dos coeficientes de recalque de subleito e sub-base de pavimentos rígidos de concreto, mas foi aplicada aos resultados das provas para efeito comparativo tanto entre pontos quanto com os parâmetros de projeto, que estabelecia critérios executivos baseados no módulo de elasticidade. O módulo de elasticidade da camada de apoio (e neste caso referente ao conjunto de camadas constituídas pelos diferentes materiais) foi estimado o através da formulação de Vesic (1961) simplificada: ES = k () onde: S B I (1 ) Es = Módulo de Elasticidade [MPa]; B = Diâmetro da placa (0,80m); I = Fator de forma (adotado 0,79); µ = Coeficiente de Poisson (adotado 0,35). Figura 3. Curva Tensão (kgf/cm²) x Deslocamento (mm) da média dos extensômetros. A partir dos resultados obtidos, foi estimado o coeficiente de recalque (ks), conforme DNIT 055(004), através da seguinte expressão: (1) k s P = onde: 0,17 P ad w ks = Coeficiente de Recalque [kgf/cm²/cm]; P0,17 = Pressão correspondente ao deslocamento de 0,17cm [kgf/cm²]; Pad = Pressão de adensamento [kgf/cm²]; w = 0,17cm. A pressão de adensamento corresponde à pressão necessária para se atingir deslocamento entre 0,5 e 0,5mm a partir do estado inicial, necessária para acomodação da placa. O ensaio deve ser iniciado somente após a aplicação Os coeficientes de recalque foram calculados para as curvas de cada estágio, ou seja, há um coeficiente para o primeiro estágio de carregamento e um para o segundo, que naturalmente são distintos. O mesmo vale para os módulos de elasticidade. Na Tabela consta um resumo dos coeficientes e módulos calculados para cada ponto, tanto para o primeiro quanto para o segundo estágio de carregamento. Tabela. Pont o (kgf/cm 1º Ciclo º Ciclo k s1 (kgf/cm 43A A 4, 3,0 5,8 31,9 86B A 7,0 38,8 11,3 6,5 86A A,8 15,8 6,3 35,1 31A A 4,9 7,3 10, 56,7 83 B 6,9 3,9 1,4 68,9 77 B 4,0,3 8,9 49,1 40 C 9,7 53,8 17, 95,1 88 C 9,4 51,9 14,8 81,8 89 C 1,9 10,5 14,9 8,7

5 74 C 7,5 41,5 16,8 93, 75 C 7,7 4,7 19,9 110,3 61 C,7 14,7 8,7 48,0 70 C 5,1 8, 18,3 101,5 66 C 4,4 4,5 8,6 47,7 85 C 13,1 7,5 15,9 88,4 60 C 6,8 37,8 1,7 70,4 7 C 1,8 71,0 9,0 49,7 73 C, 11,9 15, 84,4 71 C 5,7 31,8 16,8 93, 6 C 6, 34,6 17,5 96,8 41 D 16,8 93,5 17,9 99, 34 D 6,4 35, 11,8 65,4 46 D 17,7 98,1, 13,0 45 D 8,9 49,4 14,1 78,3 37 D 16,0 88,8 3,4 19,9 Tabela. Continuação. 1º Ciclo º Ciclo k (kgf/cm s1 (kgf/cm Pont o 38 D 8,9 49,1 3,4 130,0 48 D 4,5 5,0 13,4 74,3 49 D 10,5 58,0 17,4 96, 50 D 1,6 8,6 9,6 53,3 59 D 3,1 17,3 11,6 64, 58 D 7,7 4,6 11,4 63, 47 D 7,8 43,3 11,3 6,8 8 E 3,1 17,0 16,0 88,6 43 E 6, 34,6 15,6 86,6 Nas Tabelas 3a e 3b constam o valor médio e o desvio padrão dos coeficientes e módulos obtidos para cada tipo de seção. (kgf/cm /cm ) E s1 k s (kgf/cm /cm ) A 1,7 9,6,8 15,3 B,1 7,4,5 14,0 C 3,6 19,7 3,7 0,3 D 5,3 9,4 5,1 8, E, 1,4 0,3 1,4 Alguns dados, relativos aos aspectos executivos das camadas, como por exemplo o grau de adensamento dos materiais, podem ajudar a explicar a variabilidade obtida nos parâmetros calculados em cada tipo, mas esses dados não foram levados em consideração no presente estudo. Vale ressaltar também que os resultados dos ensaios realizados são válidos para cargas verticais estáticas, exclusivamente de compressão e exclusivamente para as condições do local ensaiado, na data de realização do ensaio. Não contemplam efeitos que podem ter papel significativo no comportamento do aterro, como recalques de longo prazo de camadas subjacentes, carregamentos cíclicos, esforços de outras naturezas, efeitos de grupo e superposição, entre outros. Nas Figuras 4 e 5 são apresentados os gráficos em que foram plotados, respectivamente, os valores do coeficiente de recalque e do módulo de elasticidade do segundo estágio para cada tipo de seção transversal. Tabela 3a. Valores Médios dos Coeficientes e Módulos. 1º Ciclo º Ciclo (kgf/cm E s1 k s (kgf/cm A 4,7 6, 8,4 46,6 B 5,5 7,6 10,6 59,0 C 6,8 37,7 14,7 81,7 D 9,1 50,7 15,6 86,7 E 4,7 5,8 15,8 87,6 Tabela 4b. Desvios Padrão dos Coeficientes e Módulos. 1º Ciclo º Ciclo Figura 4. Coeficiente de Recalque por de Seção.

6 Figura 5. Módulo de Elasticidade por de Seção. Complementarmente, foram calculados dois outros índices relacionando carga e deslocamento, numa tentativa de ilustrar os efeitos da presença das camadas de rachão e areia e a eficiência (ou não) do aumento de espessura da camada de areia. Esses índices, denominados Índice de Compressão (IC) e Índice de Recompressão (IR), relacionam, respectivamente, a carga máxima com o recalque máximo e a carga máxima com a diferença entre o recalque máximo e o residual. Representam, de maneira bastante simplificada, a relação linear entre carga e recalque para um carregamento inicial (reta virgem ) e para carregamentos posteriores. Os valores médios obtidos para cada tipo encontram-se na Tabela 4. Tabela 5. Índices Médios. Espessura IC de Areia (MPa) IR (MPa) 0 4,7 56, 80 44,1 17, ,5 147, , 49,1 Na Figura 6 estão representadas as curvas obtidas para os dois índices em função da espessura da camada de areia. Figura 6. Variação dos Índices com a Espessura de Areia. É possível notar, por esse gráfico, uma tendência crescente nos valores dos índices com o aumento da espessura de areia. Vale ressaltar que, no caso de espessura de areia igual a zero, a camada de rachão também estava ausente e, que nos demais casos, as espessuras de rachão e BGS foram mantidas as mesmas, de 50 e 30 cm, respectivamente, variando apenas a camada de areia. 6. CONCLUSÕES Considerando-se os objetivos e os aspectos condicionantes, pode-se concluir que a metodologia desenvolvida mostrou-se bastante adequada à avaliação do comportamento do aterro de materiais granulares, principalmente quando a análise for baseada diretamente nas curvas obtidas nas provas de carga. A avaliação exclusivamente através de coeficientes ou módulos pode conduzir a interpretações simplistas ou enganosas. Em qualquer tipo de análise, cujo objetivo seja avaliar o comportamento da camada de apoio em função de cargas aplicadas, percebese que é mais adequado levar em consideração o aspecto das curvas como um todo, do que empregar algum tipo de coeficiente. Cabe salientar que o estudo dos carregamentos e, de modo geral, da finalidade do aterro, é essencial para a escolha dos ensaios (provas) a serem realizados. O que evidencia, portanto, a importância do desenvolvimento de metodologia específica para as provas, como descrito neste trabalho. Os coeficientes, módulos e índices

7 calculados tem sua relevância na identificação de tendências e no tratamento estatístico das ocorrências, mas sua elevada variabilidade talvez limite seu emprego direto como parâmetros de projeto. Dentre as tendências observadas, vale destacar o ganho de rigidez das camadas granulares como um todo após o primeiro carregamento e a relação entre a espessura da camada superior de areia e o comportamento do conjunto. A melhora no comportamento (neste caso associada ao ganho de rigidez) aparenta estar relacionada diretamente à espessura da camada de areia. Ambas as tendências são corroboradas pelas curvas do gráfico da Figura 6. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Moretti Engenharia e à Teknier Engenharia e Tecnologia pelo apoio dado à realização deste trabalho. REFERÊNCIAS ABNT NBR 61:010. Projeto e Execução de Fundações, Rio de Janeiro, 010. ABNT NBR 6489:1984. Prova de Carga Direta sobre Terreno de Fundação, Rio de Janeiro, ABNT NBR 1131:006. Estacas - Prova de Carga Estática - Método de Ensaio, Rio de Janeiro, 006. ASTM D 1196/64. Standard Test Method for Nonrepetitive Static Plate Load Tests of Soils and Flexible Pavement Components, for Use in Evaluation and Design of Airports and Highway Pavements, Bowles, J. E., (1998). Foundation Analysis and Design, The Mc Graw-Hill DNIT 055/004. Pavimento Rígido - Prova de carga estática para determinação do coeficiente de recalque de subleito e sub-base em projeto e avaliação de pavimentos Método de ensaio, Rio de Janeiro, 004. Vesic, A. S., (1961), "Beams on elastic subgrade and the Winkler's hypothesis", 5th ICSMFE, Vol. 1, pp