AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE DE CARGA DE ESTACAS RAIZ E ESCAVADA CONVENCIONAL, INSTRUMENTADAS, EM SOLOS DE DIABÁSIO

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1 AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE DE CARGA DE ESTACAS RAIZ E ESCAVADA CONVENCIONAL, INSTRUMENTADAS, EM SOLOS DE DIABÁSIO Paulo José Rocha de Albuquerque Unicamp, Campinas, Brasil, pjra@fec.unicamp.br Bárbara Nardi Melo Unicamp, Campinas, Brasil, melo.bn@gmail.com David de Carvalho Unicamp, Campinas, Brasil, david@feagri.unicamp.br Rogério Carvalho Ribeiro Nogueira Unicamp, Campinas, Brasil, rogeriocrnogueira@gmail.com 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 /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

2 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, utilizando extensômetros elétricos de resistência instalados ao longo do fuste. 2 CARACTERÍSTICAS DO CAMPO EXPERIMENTAL DA UNICAMP O subsolo da região é formado por magmatitos básicos, ocorrendo rochas intrusivas básicas (Diabásio). Perfazem 98 km 2 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. 0 Perfil Típico SPT N spt 60 (golpes/30 cm) SPT-T T/N spt 60 (N.m/golpes/30 cm) Granulometria (%) R f (%) CPT q c (MPa) f s (MPa) ,0 0,2 0,4 0,6 2 4 Argila arenosa Porosa Vermelha (Residual de Diabásio) CL LG' Elétrico Mecânico 6 Concreção Profundidade (m) Silte Argiloso Variegado (Residual de Diabásio) ML NG' Areia Silte Argila 14 NA Areia Fina Siltosa Variegada (Solo de Alteração de Rocha) (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) 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).

3 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 Estaca Raiz 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 e 18m de comprimento; foram colocadas armaduras de 6m de comprimento, constituídas por 4φ b 16,0mm (longitudinal), e estribos de φ b 6,4mm 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). Relógio comparador Célula de carga Macaco hidráulico Figura 2. Esquema do sistema de reação. Indicador de deformação Viga de referência 5 INSTRUMENTAÇÃO EM PROFUNDIDADE 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).

4 Nesta pesquisa utilizou-se a ligação tipo ponte completa, com quatro extensômetros especiais para aço (KFG 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. SECÇÃO DE REFERÊNCIA Figura 3. Seção de referência. 6 PROVAS DE CARGA BLOCO DE COROAMENTO INSTRUMENTO 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. 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. Tabela 1. Valores de carga e deslocamento máximos obtidos nas provas de carga. Carga Máxima Estaca Deslocamento Máximo (mm) (kn) Escavada ,7 Raiz ,42 Deslocamento (mm) Carga (MN) 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 Estaca Escavada Estaca Raiz Figura 3. Curvas carga vs deslocamento.

5 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 E (GPa) Escavada 19,3 Raiz 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. 670kN 0,6m 670kN 5,0m 12,0m 39kN 543kN ESCAVADA 42kN Figura 4. Transferência de carga na ruptura 608kN RAIZ 980kN 980kN 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 0,6m 5,0m 5,0m 12,0m Escavada 21kPa 50kPa Raiz 67kPa 64kPa 7.3 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 e 6 Tabela 5. Resultados dos Métodos Semi-Empíricos para estaca raiz (sondagem média). Método Ensaio Ql Qp Qt (kn) (kn) (kn) A CPT SPT B SPT C SPT D SPT E SPT F CPT

6 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 F - CPT lateral ponta 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) Tabela 6. Resultados dos Métodos Semi-Empíricos para estaca raiz (sondagem média). Método Ensaio Ql Qp Qt (kn) (kn) (kn) A CPT SPT B SPT C SPT D CPT E CPT ,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 lateral ponta total 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) F - CPT F - CPT 7.4 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: Q uc = limite de RIG quando r h (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 R 2. Adota-se então a correlação que abrange o maior número de pontos e o maior valor de R 2, como o exemplo da Figura 7.

7 Tabela 7. Valores medidos e calculados de carga lateral (Ql). Estaca Ql(kN) * Escavada 630 Raiz 938 * Medido na prova de carga Ql(kN) calculado Intervalo de variação 656 Ql Ql 920 Valor central 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. Rigidez (MN/mm) 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 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). Rigidez (MN/mm) ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Q (MN) Figura 9. Gráfico de Rigidez raiz (Melo, 2009). II II 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

8 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. Melo, B.N. (2009) Análise de provas de carga à compressão à luz do conceito de rigidez. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Unicamp, 219p. 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. REFERÊNCIAS A.B.N.T. (1996) Estacas Provas de Carga Estática NBR Rio de Janeiro, RJ. A.B.N.T. (1996) Fundações Profundas NBR6122. Rio de Janeiro, RJ. Albuquerque, P.J.R. (1996) Análise do comportamento de estaca pré-moldada de pequeno diâmetro, 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 compressão em solo residual de diabásio, através de provas de carga instrumentadas em profundidade. Tese de Doutorado, Departamento de Estruturas e Fundações, Poli/USP, 382p. Campos, G.G.G.; Gonçalves, R.L.; Miguel, M.G.; Belincanta, A. (2008) Comportamento de estacas de pequeno diâmetro em solo de Londrina no Brasil. Geotecnia, Lisboa, Portugal, N. 112, p Carvalho, D.; Albuquerque, P.J.R., Giacheti, H.L. (2000) Campo experimental para estudos de mecânica dos solos e fundações em Campinas-SP. Seminário de Engenharia de Fundações Especiais SEFE IV, Seminário Brasileiro de Investigações de Campo - BIC, São Paulo, SP, Vol.3, p Décourt, L. (1998) Ruptura de Fundações e coeficientes de segurança a luz do Conceito de Rigidez. Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica, XI COBRAMSEG, Brasília, DF, Vol.3, p Décourt, L. (2008) Provas de carga em estacas podem dizer muito mais do que têm dito. Seminário de Engenharia de Fundações Especiais, SEFE IV, São Paulo, SP, Vol.1, p Giacheti, H.L. (1991) Estudo experimental de parâmetros dinâmicos de alguns solos tropicais do Estado de São Paulo. Tese de Doutorado, Programa de Pós- Graduação em Geotecnia, EESC/USP, 232p.