universidade federal do cearÁ centro de … · figura 33 – gráfico do índice de resistência...
TRANSCRIPT
UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E AMBIENTAL
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
MESTRADO EM GEOTECNIA
DIANA RODRIGUES DE LIMA
CONTRIBUIÇÃO AO ESTUDO DO DESEMPENHO DE ESTACAS DO TIPO
RAIZ
FORTALEZA
2014
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Universidade Federal do Ceará
Biblioteca de Pós-Graduação em Engenharia - BPGE
L697c Lima, Diana Rodrigues de.
Contribuição ao estudo do desempenho de estacas do tipo raiz / Diana Rodrigues de Lima. – 2014. 122 f. : il. color., enc. ; 30 cm. Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Departamento de
Engenharia Hidráulica e Ambiental, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Fortaleza, 2014.
Área de Concentração: Geotecnia. Orientação: Prof. Dr. Alfran Sampaio Moura. 1. Geotecnia. 2. Capacidade de carga. 3. Controle executivo. I. Título.
CDD 624.1513
AGRADECIMENTOS
A Deus, por seu amor e sua presença sempre constantes em minha vida;
À minha mãe, Ana Rodrigues, pelo seu carinho e paciência nos inúmeros momentos em que precisei ficar ausente; e o meu irmão, Emanuel Rodrigues, por sempre colocar um sorriso em meu rosto;
Ao meu orientador, Prof. Dr. Alfran Sampaio Moura; pelo seu apoio e dedicação neste trabalho, bem como por seu entusiasmo, paciência e suas palavras de incentivo que me motivam a cada nova etapa;
Ao Prof. Dr. Francisco Chagas da Silva Filho, pela amizade e por seus ensinamentos; e ao professor Dr Silvrano Adonias Dantas Neto, pelas brilhantes aulas durante este mestrado, e sua disponibilidade em ajudar na minha formação e dos demais colegas de curso;
Aos amigos Gleiber Chagas e Michele Alves, pela amizade e cumplicidade;
Aos servidores do Laboratório de Mecânica dos Solos e Pavimentação, pela prontidão em auxiliar no aprendizado e por todo o incentivo;
À Coordenação do POSDEHA, na pessoa do Prof. Dr Francisco de Assis de Souza Filho, por me aceitar no programa e contribuir na minha formação acadêmica; e à secretaria do POSDEHA, por sua disposição em ajudar nos assuntos burocráticos e por seu atendimento de qualidade;
À FUNCAP, pelo apoio financeiro à pesquisa;
À UFCA - Campus Juazeiro do Norte, por me liberar das minhas atividades profissionais para que eu pudesse cursar o mestrado;
À empresa GEOBRASIL, na pessoa do Engº. Nóbrega Júnior, por seu suporte, durante a etapa prática deste trabalho, e sua disposição em prestar informações relevantes à pesquisa;
Aos engenheiros, técnicos e encarregados da GEOBRASIL (Ronaldo, Fausto, André e Milson) pelo apoio e esclarecimentos;
Aos meus amigos pela torcida e pelo suporte emocional, nos tempos difíceis ao longo deste trabalho; e aos meus pastores, pelo suporte espiritual e pela paciência nos longos períodos em que estive ausente;
A todos que colaboraram direta ou indiretamente para a realização deste trabalho, muito obrigada.
RESUMO
Durante a execução das fundações de uma edificação, comumente se verifica a
capacidade de carga empregando-se métodos específicos que variam de acordo com o tipo de
estaca, o que é denominado avaliação de desempenho da fundação. Para estacas o controle é,
em geral, feito com base em de prova de carga. Este trabalho propõe uma formulação
empírica para previsão da capacidade de carga de estacas tipo raiz, obtidas por meio de
algumas variáveis monitoradas durante a execução das mesmas utilizando um velocímetro
digital. Para isso foram realizadas provas de carga estáticas lentas em três estacas raiz
monitoradas, com diâmetros de 350 e 410 mm. Diversas combinações entre as parcelas da
capacidade de carga de ponta e lateral e as variáveis monitoradas foram testadas, utilizando-se
os programas de computador Excel e Maple. Posteriormente foi buscada uma expressão para
a previsão da carga de ruptura das estacas ensaiadas, como uma função das variáveis
monitoradas, segundo relações do tipo polinomial, exponencial, logarítmica e combinação
linear, tendo como referência o valor obtido de acordo com o método da Norma ABNT NBR
6122:2010. Foi verificado que há correlação entre a capacidade de carga e as variáveis
monitoradas. As variáveis que melhor se ajustaram na correlação foram: rotação e velocidade
de avanço. Os resultados obtidos pela expressão proposta foram concordantes com os valores
de referência para as estacas ensaiadas. O método de Lizzi (1982) apresentou estimativas mais
concordantes com os resultados obtidos na formulação proposta que correlaciona capacidade
de carga e variáveis envolvidas no processo executivo.
Palavras-chave: Estaca raiz; Capacidade de carga; Controle executivo.
ABSTRACT
During the execution of the foundations of buildings, commonly occurs load
capacity by specific methods which vary depending on the type of pile. For root piles, the
control is, usually, done by load test. This paper proposes an empirical formulation for
prediction of load capacity of root piles, using some variables monitored during the execution
of the same, using a digital speedometer. For this, slow static load test in three root piles
monitored with diameters of 350 to 410 mm were conducted. Various combinations between
plots of load capacity of end bearing pile and shaft wall and the monitored variables were
tested, using the computer programs Excel and Maple. Was subsequently sought an
expression for predicting the failure load of the piles tested, as a function of monitored
variables, according to relations of type polynomial, exponential, logarithmic and linear
combination, by reference to the value obtained in the method of Standard ABNT NBR
6122:2010. It was found that there is a correlation between the load capacity and the
monitored variables. The variables that best fit the correlation were: rotation and forward
speed. The results obtained with the expression proposed were in agreement with the
reference values for the tested cuttings. The method of Lizzi (1982) showed more consistent
estimates with the results obtained in the proposed wording that correlates load capacity and
variables involved in enforcement proceedings.
Keywords: Root Pile; Load Capacity; Executive Control.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Modelo de estaca para fórmulas dinâmicas .......................................................................................... 18
Figura 2 – Relação R x C2 .................................................................................................................................... 21
Figura 3 – Medição da nega e do repique elástico. ................................................................................................ 22
Figura 4 – Sistema de montagem de uma prova de carga estática. ........................................................................ 25
Figura 5 – Colocação do macaco hidráulico sobre o bloco de coroamento da estaca. .......................................... 25
Figura 6 – Montagem do sistema de reação .......................................................................................................... 25
Figura 7 – Colocação das vigas de referência ....................................................................................................... 26
Figura 8 – Prova de carga estática ......................................................................................................................... 26
Figura 9 – Curva carga x recalque com ruptura bem definida. .............................................................................. 29
Figura 10 – Curva carga x recalque com ruptura indefinida. ................................................................................ 29
Figura 11 – Critério dos 80% proposto por Brinch - Hansen ................................................................................ 32
Figura 12 – Método de Chin .................................................................................................................................. 33
Figura 13 – Comparativos entre as metodologias de previsão de carga de ruptura ............................................... 35
Figura 14 – Sinal típico PDA ................................................................................................................................ 36
Figura 15 – Método CASE: registro típico de força e velocidade versus impedância de uma estaca. .................. 40
Figura 16 – Sequência de ajuste de um sinal pelo método CAPWAP. .................................................................. 41
Figura 17 – Execução de estaca raiz ...................................................................................................................... 47
Figura 18 – Nivelamento do equipamento antes da escavação.............................................................................. 48
Figura 19 – Locação da estaca antecedente escavação .......................................................................................... 48
Figura 20 – Escavação de estaca raiz com tubos de revestimento. ........................................................................ 49
Figura 21 – Escavação de estaca raiz com tubos de revestimento e broca. ........................................................... 49
Figura 22 – Colocação da armadura e uma estaca raiz. ......................................................................................... 50
Figura 23 – Mistura de argamassa para moldar o fuste de uma estaca raiz. .......................................................... 51
Figura 24 – Preenchimento do fuste da estaca raiz com argamassa. ..................................................................... 51
Figura 25 – Aplicação de golpes de ar comprimido na moldagem do fuste de uma estaca raiz. ........................... 52
Figura 26 – Extração dos tubos de revestimento de uma estaca raiz. .................................................................... 52
Figura 27 – Mapa de Localização da Obra 1 ......................................................................................................... 65
Figura 28 – Mapa de Localização da obra 2 .......................................................................................................... 65
Figura 29 – Quadricone ......................................................................................................................................... 66
Figura 30 – Broca 1000 ......................................................................................................................................... 66
Figura 31 – Localização da estaca monitorada na Obra 1 ..................................................................................... 67
Figura 32 – Localização das estacas monitoradas na Obra 2 ................................................................................. 67
Figura 33 – Gráfico do índice de resistência (NSPT) e perfil estratigráfico do SPT01 da Obra 1 ........................... 68
Figura 34 – Gráfico do índice de resistência (NSPT) e perfil estratigráfico do SPT 02 da Obra 1 .......................... 69
Figura 35 – Gráfico do índice de resistência (NSPT) e perfil estratigráfico do SPT 03 da Obra 1 .......................... 70
Figura 36 – Gráfico do índice de resistência (NSPT) e perfil estratigráfico do SPT 04 da Obra 1 .......................... 71
Figura 37 – Resumo do índice de resistência (NSPT) da Obra 1 ............................................................................. 72
Figura 38 – Resumo do índice de resistência (NSPT) da Obra 2 ............................................................................. 73
Figura 39 – Gráfico do índice de resistência (NSPT) e perfil estratigráfico do SPT 02 da Obra 2 ......................... 74
Figura 40 – Gráfico do índice de resistência (NSPT) e perfil estratigráfico do SPT 06 da Obra 2 ......................... 75
Figura 41 – Localização das partes do dispositivo durante o monitoramento ....................................................... 77
Figura 42 – Carga última estimada pela NRB 6122/10 ......................................................................................... 79
Figura 43 – Comparação das previsões da capacidade de carga da Estaca 1, a partir de métodos semi-empíricos ............................................................................................................................................................................... 81
Figura 44 – Comparação das previsões da capacidade de carga da Estaca 2, a partir de métodos semi-empíricos ............................................................................................................................................................................... 82
Figura 45 – Comparação das previsões da capacidade de carga da Estaca 3, a partir de métodos semi-empíricos ............................................................................................................................................................................... 82
Figura 46 –Distribuição da capacidade de carga ao longo da profundidade para Estaca 1 ................................... 83
Figura 47 – Distribuição da capacidade de carga ao longo da profundidade para Estaca 2 .................................. 84
Figura 48 – Distribuição da capacidade de carga ao longo da profundidade para a Estaca 3 ................................ 85
Figura 49 – Resultado da prova de carga realizada na Estaca 1 ............................................................................ 86
Figura 50 – Resultado da prova de carga realizada na Estaca 2 ............................................................................ 87
Figura 51 – Resultado da prova de carga realizada na Estaca 3 ............................................................................ 87
Figura 52 – Determinação da capacidade de carga da Estaca 1, a partir do método da NBR 6122/2010. ............ 88
Figura 53 – Determinação da capacidade de carga da Estaca 2, a partir do método da NBR 6122/2010 ............. 88
Figura 54 – Determinação da capacidade de carga da Estaca 3, a partir do método da NBR 6122/2010 ............. 89
Figura 55 – Previsão da capacidade de carga da Estaca 1, a partir do método de Van Der Veen (1953) .............. 90
Figura 56 – Previsão da capacidade de carga da Estaca 2, a partir do método de Van Der Veen (1953) .............. 91
Figura 57 – Previsão da capacidade de carga da Estaca 3, a partir do método de Van Der Veen (1953) .............. 91
Figura 58 – Comparativo entre os valores de capacidade de carga estimados pelos métodos semi-empíricos, pelo método de Van Der Veen (1953) e pelo método da NBR 6122/2010. .................................................................. 92
Figura 59 – Comparativo de valores da capacidade de carga para a estaca 1 ........................................................ 99
Figura 60 – Comparativo de valores da capacidade de carga para a estaca 2 ...................................................... 100
Figura 61 – Comparativo de valores da capacidade de carga para a estaca 3 ...................................................... 101
Figura 62 – Comparativo geral da estaca 1 ......................................................................................................... 102
Figura 63 – Comparativo geral da estaca 2 ......................................................................................................... 102
Figura 64 – Comparativo geral da estaca 3 ......................................................................................................... 102
Figura B 1 – Previsão de Qult da Estaca 85......................................................................................................... 116
Figura B 2 – Previsão de Qult da Estaca 86......................................................................................................... 116
Figura B 3 – Previsão de Qult da Estaca 108................................................................................................. ...... 117
Figura B 4 – Previsão de Qult da Estaca 109................................................................................................. ...... 117
Figura B 5 – Previsão de Qult da Estaca 110................................................................................................. ...... 118
Figura B 6 – Previsão de Qult da Estaca 113................................................................................................. ...... 118
Figura B 7 – Previsão de Qult da Estaca 115.................................................................................................. ..... 119
Figura B 8 – Previsão de Qult da Estaca 116....................................................................................................... 119
Figura B 9 – Previsão de Qult da Estaca 117.................................................................................. ..................... 120
Figura B 10 – Previsão de Qult da Estaca 121................................................................................................ ..... 120
Figura B 11 – Previsão de Qult da Estaca 132................................................................................................ ..... 121
Figura B 12 – Previsão de Qult da Estaca 136................................................................................................ .... 121
Figura B 13 – Previsão de Qult da Estaca 145................................................................................................ .... 122
Figura B 14 – Previsão de Qult da Estaca 146................................................................................................. .... 122
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Resumo dos métodos de semi-empíricos utilizados na previsão de capacidade de carga de estacas ... 53
Tabela 2 – Valores de F1 e F2 em função do tipo de estaca ................................................................................... 54
Tabela 3 – Valores de K e α em função do tipo de solo ........................................................................................ 54
Tabela 4 – Valores de K em função das características do solo ............................................................................ 56
Tabela 5 – Valores de I, em função do diâmetro nominal da estaca ..................................................................... 56
Tabela 6 – Valores de resistência à compressão simples ....................................................................................... 57
Tabela 7 – Valores de β1 e β2 em função do tipo de solo ...................................................................................... 59
Tabela 8 – Valores de α e β em função do tipo de solo – Brasfond ...................................................................... 60
Tabela 9 – Valores de K e α em função do tipo de solo - Monteiro ...................................................................... 55
Tabela 10 – Valores de F1 e F2 em função do tipo de estaca - Monteiro ............................................................... 55
Tabela 11 – Previsão da capacidade de carga através de métodos semi-empíricos ............................................... 80
Tabela 12 – Resumo geral da previsão de capacidade de carga ............................................................................ 92
Tabela 13 – Informações registradas de execução das estacas raiz ....................................................................... 93
Tabela 14 – Resumo dos monitoramentos realizados durante a execução das estacas .......................................... 94
Tabela 15 – Tendências observadas nas variáveis monitoradas na estaca 1 .......................................................... 95
Tabela 16 – Tendências observadas nas variáveis monitoradas na estaca 2 .......................................................... 95
Tabela 17 – Tendências observadas nas variáveis monitoradas na estaca 3 .......................................................... 96
Tabela 18 – Valores de α (método proposto) ....................................................................................................... 98
Tabela 19 – Previsão de capacidade de carga pelo método experimental ............................................................. 98
Tabela 19 – Previsão de capacidade de carga pelo método experimental............................................................ 98
Tabela A 1 – Resultados do monitoramento nas estacas sem prova de carga.....................................................115
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................................................. 14
1.1 Objetivo ............................................................................................................................................... 15
1.2 Estrutura do trabalho ............................................................................................................................ 15
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................................................................................... 16
2.1 Métodos de verificação de desempenho de estacas ............................................................................. 18
2.1.1 Uso da nega e do repique elástico no controle executivo de estacas cravadas à percussão ............. 18
2.1.2 Uso das provas de carga estáticas no controle executivo de estacas ................................................ 23
2.1.3 Ensaio de Carregamento Dinâmico ................................................................................................. 35
2.1.4 Uso da energia no controle executivo de estacas hélice contínua .................................................... 42
2.2 Estaca Tipo Raiz .................................................................................................................................. 45
2.2.1 Histórico .......................................................................................................................................... 45
2.2.2 Execução e Aplicações .................................................................................................................... 48
2.2.3 Previsão da capacidade de carga empregand-se métodos semi-empíricos ...................................... 52
2.2.4 Estado da arte para verificação do desempenho de estacas raiz ...................................................... 60
3. MATERIAIS E MÉTODOS .......................................................................................................................... 64
3.1 Metodologia ......................................................................................................................................... 64
3.2 Locais da área de estudo ...................................................................................................................... 65
3.3 Coleta de dados .................................................................................................................................... 67
3.4 Monitoramento ..................................................................................................................................... 76
3.5 Ensaio de Prova de Carga .................................................................................................................... 78
4. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS ................................................................................. 80
4.1 Previsão da capacidade de carga por meio de formulações semi-empíricas ........................................ 80
4.2 Previsão da capacidade de carga por meio de provas de carga estática ............................................... 86
4.3 Resultado do Monitoramento ............................................................................................................... 93
4.4 Análises dos resultados do monitoramento .......................................................................................... 95
4.5 Desenvolvimento da proposta de método de controle executivo de estacas raiz ................................. 97
5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES ................................................................................................................ 105
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................................................ 108
APÊNDICES ....................................................................................................................................................... 115
APÊNDICE A: MONITORAMENTO DAS ESTACAS SEM PROVA DE CARGA .................................. 115
APÊNDICE B – PREVISÃO DE CAPACIDADE DE CARGA DAS ESTACAS SEM PROVA DE CARGA, POR MÉTODOS SEMI-EMPÍRICOS. ........................................................................................................... 116
14
1. INTRODUÇÃO
Dentre as diversas funcionalidades da engenharia de fundações, o controle
executivo é um dos assuntos que merece atenção especial, uma vez que a fundação é o
elemento estrutural responsável por receber os esforços e transferí-los ao solo, gerando uma
interação solo-estrutura. O tipo e o dimensionamento do elemento fundação dependem do
perfil de solo onde ela será executada e da carga que será solicitada, além de outras variáveis.
Na fase de projeto, o comportamento de uma fundação é previsto através de uma estimativa
da capacidade de carga, feita por meio de métodos que podem ser empíricos, semi-empíricos
e teóricos. Na etapa de execução das fundações, comumente se verifica a capacidade de carga
através da realização de provas de carga.
Para o caso de fundações profundas, uma gama de métodos é utilizada na
verificação de desempenho, desde aqueles mais tradicionais até mais modernos, como o
método descrito por Silva e Camapum (2010), para estacas do tipo hélice contínua. No caso
de estacas escavadas, medir variáveis no campo, como torque e energia, por exemplo, durante
sua execução é uma ferramenta eficaz nesse processo.
No caso de estacas raiz a verificação de desempenho é de fato avaliada após a sua
execução, uma vez que monitorar variáveis durante sua execução é um processo complexo e
dificultoso tanto pelo nível de insalubridade quanto pela não disposição de equipamentos que
o façam. Sendo assim, existe certa deficiência nesse sentido, comprovada pela experiência de
campo, enquanto se realizou a pesquisa, motivando assim, a busca por procedimento de
monitoramento viável e que auxiliasse na tomada de decisões em campo.
Neste trabalho será discutido o controle executivo de estacas raiz, através de uma
pesquisa que permeou as etapas do processo, desde a previsão de capacidade de carga dees
tipo de estaca por métodos semi-empíricos até à verificação de desempenho das mesmas. Um
monitoramento foi realizado durante a execução, visando medir variáveis envolvidas na
escavação, que tivessem alguma relação com a capacidade de carga das estacas, propondo
assim uma formulação empírica simplificada que auxilie na tomada de decisões no processo.
Esta pesquisa tem como objetivo discutir e comparar os métodos de previsão da
carga de ruptura, bem como propor uma formulação empírica para previsão de capacidade de
15
carga de estacas raiz, utilizando-se de algumas variáveis envolvidas na etapa de escavação,
como rotação e velocidade de avanço da perfuratriz.
1.1 Objetivo
O objetivo geral deste trabalho é propor uma formulação empírica que auxilie no
controle executivo de estacas raiz, de forma a propiciar que durante a execução da estaca ,
seja possível alterar o comprimento da estaca, caso seja necessário.
1.2 Estrutura do trabalho
A presente dissertação foi estruturada em seis capítulos, organizados da seguinte maneira:
Capítulo 1 – Introdução: apresenta um contexto geral sobre o assunto abordado no
trabalho, a justificativa da escolha do tema e os objetivos da pesquisa;
Capítulo 2 – Verificação de desempenho de estacas: contém uma revisão
bibliográfica, abordando os assuntos relacionados ao tema;
Capítulo 3 – Estacas raiz: conceitua e descreve o objeto de estudo da pesquisa;
apresenta os métodos de previsão de capacidade de carga aplicados para esse tipo de estaca e
cita as pesquisas atuais sobre o tema;
Capítulo 4 – Materiais e métodos: apresenta as diretrizes e etapas da pesquisa;
Capítulo 5 – Apresentação e análise dos resultados: expõe os resultados da
pesquisa, fazendo uma análise dos mesmos;
Capítulo 6 – Conclusões e sugestões: lista as principais ideias conclusivas da
pesquisa e propõe sugestões para futuros trabalhos.
16
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A verificação do desempenho de uma fundação consta da aplicação de um
conjunto de procedimentos e técnicas, tanto do ponto de vista da integridade do elemento
estrutural como do comportamento do conjunto solo-fundação sob carregamento, a fim de
demonstrar que o previsto no projeto está sendo confirmado, ou não, na prática da execução.
A segurança à ruptura é o principal aspecto a ser verificado, ou seja, a resistência
e a integridade do elemento estrutural e a resistência do solo devem ser comprovadas, durante
e após a execução. A carga admissível especificada no projeto de fundação deve ser
confirmada quando da verificação de desempenho no campo. Essa confirmação pode ser feita
aplicando-se métodos estáticos ou dinâmicos.
A integridade pode ser verificada por métodos destrutivos ou não destrutivos,
após a instalação do elemento estrutural no solo.
De acordo com Hachich et al. (1998), a complexidade e a heterogeneidade dos
solos e suas características, a impossibilidade de visualização das fundações após sua
execução e as incertezas e dificuldades inerentes a ensaios de campo são fatores que
dificultam a verificação do desempenho das fundações; sendo assim necessário o controle, em
maior ou menor grau, nos métodos executivos dos diferentes tipos de fundações.
Assim, devem ser estabelecidos os critérios mínimos de verificação de
desempenho, qualidade, segurança, durabilidade, produtividade e custos, a partir das
exigências e definições das normas e códigos vigentes.
O Código de Defesa do consumidor (1991) estabelece que cabe ao fornecedor, e
não ao consumidor, o ônus da prova de sua inocência, bem como a reparação de danos
causados por defeitos e por informações insuficientes e inadequadas sobre utilização e riscos,
incluindo serviços de engenharia.
Na Europa, estabeleceu-se o Sistema de Eurocódigos, que fixa especificações
técnicas reconhecidas, de modo a satisfazer os requisitos de segurança e funcionalidade dos
edifícios e outras obras de engenharia civil, e serve de referência para os contratos de
construção públicos ou privados, de acordo com Maranha das Neves (1995). O Eurocódigo 7
17
é aquele que se refere à geotecnia, no qual a Parte I foi destinada ao projeto geotécnico de
fundações, contenções, aterros, taludes, tratamento de maciços e rebaixamentos.
A normalização técnica da construção civil no Brasil tornou-se mais dinâmica nos
últimos anos e algumas considerações sobre as normas da Associação Brasileira de Normas
Técnicas – ABNT elaboradas para serviços relacionados a fundações e contenções merecem
destaque com relação à qualidade e verificação do desempenho.
De acordo com a norma de projeto geotécnico, NBR 8044/83, no projeto
executivo devem constar as recomendações para acompanhamento da execução, registro e
verificação do comportamento das fundações como construídas. No acompanhamento, é
possível tanto confirmar as cotas de fundação, como monitorar o comportamento das
fundações, e para este, as investigações geralmente são restritas à verificação de recalques e
deslocamentos. A norma afirma que condicionantes geotécnicos que eventualmente possam
interferir durante ou após a conclusão da obra, devem ser enumerados e a sua importância
ressaltada, a fim de que possam ser devidamente considerados.
A norma NBR 6122/2010, que trata de projeto e execução de fundações, descreve
detalhadamente as características que devem apresentar os diferentes tipos de fundações,
advindo daí controles, verificações e observações a serem realizados durante a execução das
fundações. O capítulo denominado Controle Executivo apresenta, para os diferentes tipos de
fundações, tais controles e registros executivos, enquanto o capítulo seguinte da mesma
norma descreve as tolerâncias nas falhas decorrentes de dificuldades ou erros de execução.
Assim, torna-se possível a análise para aprovação ou rejeição da fundação. Ao final, os
objetivos do acompanhamento de uma obra são abordados num texto intitulado de
Observação do comportamento e instrumentação de obras de fundação.
A norma de segurança de escavação a céu aberto, NBR 9061/85, já cancelada e
substituída pela ????, tratava a necessidade de controlar a escavação e as edificações vizinhas,
através de inspeção e instrumentação, assim como a norma de projeto geotécnico, NBR
8044/83. No capítulo intitulado de Acompanhamento e Instrumentação, são tratados os
objetivos da instrumentação da obra e sua área de influência, subdividindo-os em:
instrumentação relacionada à segurança e instrumentação relacionada à verificação das
18
hipóteses adotadas no projeto de escavação e pesquisa. A norma descreve ainda os programas
de instrumentação e alguns tipos mais utilizados.
Segundo Hachich et al. (1998), no que diz respeito à verificação de desempenho,
nota-se que é dado grande importância e destaque ao assunto, faz-se necessária uma maior
divulgação e seriedade na aplicação das normas no país.
Alguns métodos modernos e códigos recentes (Eurocódigos, por exemplo)
estabelecem critérios de dimensionamento baseados nos estados-limites (definidos pela norma
NBR 8681/2004 - Ações e segurança nas estruturas) e na teoria da fiabilidade. Conforme
Maranha das Neves (1995), existem dificuldades na aplicação do método dos estados-limites
à geotecnia, exigindo generalizações, ajustes, conhecimento e experiências locais.
2.1 Métodos de verificação de desempenho de estacas
2.1.1 Uso da nega e do repique elástico no controle executivo de estacas cravadas à percussão
A nega corresponde à penetração média permanente da estaca causada pela
aplicação de 10 golpes do martelo e o seu uso é o método mais frequente no controle de
execução de estacas cravadas. A Figura 1, proposta por Aoki (1994), ilustra o modelo da
estaca durante uma cravação, em que:
Figura 1 – Modelo de estaca para fórmulas dinâmicas.
19
Fonte: Apud Aoki (1994)
L = comprimento da estaca;
E = módulo de elasticidade da estaca;
C = espessura da camada de solo sobre a qual se encontra a ponta da estaca;
El = energia líquida que provoca uma deformação elástica e plástica, no solo e na estaca;
EMX = energia máxima transferida para a estaca durante o golpe;
S = nega;
C3 = parcela da deformação elástica da ponta, devido à deformação das camadas de solo ao "quake";
C2 = deformação elástica do fuste devida à energia EMX;
RMX = carga estática mobilizada
K = deslocamento devido às deformações elásticas, do solo sob a ponta e do fuste, geralmente conhecido por repique elástico da ponta.
Considerando que não ocorre perda de energia para deformar o solo adjacente ao
fuste da estaca, pode-se então aplicar o princípio da conservação da energia, ou seja:
(1)
Por outro lado, o deslocamento máximo do topo DMX vale:
(2)
De (1) e (2), pode-se escrever:
(3)
Assim, a energia EMX deve ser menor que a energia líquida, aplicada ao sistema,
medida na instrumentação dinâmica.
Conforme Broms e Choo (1988), por exemplo, a energia líquida é dada por:
(4)
20
O tempo ta correspondente à velocidade de partícula igual a zero e ocorre no
instante onde o deslocamento DMX é máximo. A fórmula proposta decorre da expressão (1),
e a Figura 1 deixa claro que K = C2 + C3.
O valor S muitas vezes não representa somente a parcela devida às deformações
plásticas do solo e pode englobar, também, uma parcela de deformação elástica devida às
cargas residuais remanescentes no fuste. O deslocamento do topo da estaca indicado na Figura
1, medido dos mais diversos modos, pode ser usado para determinar o valor da carga
mobilizada RMX conforme os procedimentos de Uto et a.l (1985), Aoki (1986), Velloso
(1987) e Matsuo et al. (1989).
Dentre as diversas fórmulas dinâmicas para o cálculo da capacidade de carga
destacam-se as seguintes: Engineering News, Sanders, Fórmula dos Holandeses, Brix,
Fórmula dos Dinamarqueses e Jambu.
A fórmula dinâmica de Hiley, estima a capacidade de carga estática RMX em
função dos pesos do martelo (Wh) e da estaca (Wp), da altura de queda (H), da eficiência do
martelo (eh), do coeficiente de restituição n, da nega (S) e das perdas de energia do capacete,
da estaca e do solo (Cl, C2 e C3). De forma que:
(5)
De acordo com Chellis (1951), a parcela C2, devida às deformações elásticas do
fuste da estaca, seria calculada pela expressão:
(6)
Em que:
Ru = carga mobilizada ou resistência à ruptura;
I = profundidade do centro de cravação;
A = área da secção transversal
21
Segundo Berberian (1994), essa relação pode ser representada no diagrama de
deformação elástica da estaca, R x C2, de maneira que a energia de deformação corresponde à
área sobre o diagrama, conforme mostrado na Figura 2.
Figura 2 – Relação R x C2
Fonte: Berberian, D. Estacas. Fórmulas dinâmicas (1994)???????
Aoki (1986) propôs:
(7)
Enquanto Velloso (1987) propôs:
(8)
Em que:
, com (9)
Em que Rub é a parcela de carga na ponta da estaca.
Para um diagrama de esforços normais na ruptura, representado pela função R(z),
o encurtamento do fuste será máximo e de valor:
(10)
22
Por ocasião da ruptura, os deslocamentos do topo da estaca se devem,
predominantemente, à penetração da ponta no solo, com progressivo aumento da nega S e
com a parcela plástica C2 tendendo para um valor constante. Pode-se afirmar que S, C2 e C3
constituem medidas diretas do valor da carga mobilizada RMX.
Sendo FMX a força máxima, sua validade, a partir da curva deslocamento-tempo,
é por:
(11)
Em que υmáx é a velocidade máxima da partícula e I = E/A
O repique corresponde à parcela elástica do deslocamento máximo de uma seção
da estaca, causado pelo impacto da cravação, e seu uso é mais recente. Segundo Berberian
(1994), há uma tendência de utilizar o repique para a obtenção da resistência dinâmica, em
substituição da nega.
Dentre as fórmulas que utilizam o repique para a previsão de capacidade de carga,
destacam-se a fórmula de Velloso e a fórmula de Uto, que é decorrente da teoria da equação
da onda e é válida para valores de C3 da ordem de grandeza da nega.
A Figura 3 apresenta o dispositivo prático para a medição da nega e do repique
elástico, chamado também de nega elástica.
Figura 3 – Medição da nega e do repique elástico.
Fonte: Berberian, D. Estacas. Fórmulas dinâmicas, 1994.
Segundo Aoki (1986), as críticas feitas às fórmulas dinâmicas são devidas ao fato
de que a teoria do impacto entre dois corpos de Newton seria inadequada para simular o
23
fenômeno da cravação de estacas. Porém, estas fórmulas são usualmente utilizadas para o
controle da execução de estacas cravadas.
Vale observar que à medida que a resistência cresce, o valor da nega diminui e o
valor do repique aumenta.
2.1.2 Uso das provas de carga estáticas no controle executivo de estacas
Com emprego no Brasil datado de 1928, a prova de carga estática é um dos
ensaios de campo mais importantes na engenharia de fundações devido à confiabilidade dos
resultados quanto às informações sobre capacidade de carga e recalques do conjunto solo-
fundação.
É um ensaio do tipo tensão x deformação, que apresenta a principal vantagem de
representar o complexo comportamento do conjunto solo-fundação; influenciado pela
modificação provocada no solo pelos trabalhos de infraestrutura da obra e execução das
fundações e pelas incertezas decorrentes das dificuldades executivas das fundações. As
normas técnicas brasileiras da ABNT referentes a estes ensaios englobam: "prova de carga
direta sobre terreno de fundação - NBR 6489/84" e "estacas - prova de carga estática – NBR
12131/2006".
A metodologia normalizada no Brasil trata, basicamente, de aplicar cargas
conhecidas ao solo, através de elemento estrutural de fundação, medindo-se os deslocamentos
verticais decorrentes. As cargas aplicadas devem representar, da melhor forma possível, as
solicitações previstas quando em operação, até estabilização dos recalques. São divididas em
parcelas ou estágios de carregamentos sucessivos, que devem permanecer atuando durante
algum tempo. Cada estágio de carga é mantido até que os recalques e estabilizem.
De acordo com o critério das normas NBR 6489/84 e MB-3472/91 (substituída
por NBR 12131/2006) a estabilização ocorre quando em duas leituras sucessivas o recalque
não exceder 5% do recalque total observado no mesmo estágio de carregamento. A MB-
3472/91 adotava este critério, porém fixa um mínimo de 30 minutos para cada estágio. Os
intervalos de tempo entre leituras seguem aproximadamente uma progressão geométrica de
24
razão igual a dois, com a leitura inicial na aplicação da carga, e a segunda um minuto após.
Décourt (1994) afirma que, como a carga de ruptura física raramente é atingida, procura-se
conviver com a ruptura convencional, que corresponde a uma deformação da ordem de 10%
do diâmetro da estaca. O descarregamento também deve ser feito em estágios com controle de
deslocamentos até a estabilização, porém com duração mínima de 15 minutos por estágio.
As cargas são aplicadas, em geral, por meio de macaco hidráulico calibrado,
centradas em relação ao eixo da fundação e sem provocar vibrações e choques durante o
carregamento. No caso de estacas, um bloco de coroamento deve ser previamente concretado,
para atuar como elemento de transmissão das cargas do macaco para a fundação.
Durante a realização da prova de carga estática, as cargas são aplicadas e os
deslocamentos correspondentes do elemento estrutural de fundação são medidos em instantes
pré-fixados. As cargas aplicadas também podem ser medidas com a utilização de células de
carga, visando maior precisão. Os deslocamentos são medidos por um ou dois pares de
extensômetros (relógios comparadores).
A Figura 4 ilustra um sistema típico de montagem de uma prova de carga estática.
O sistema de reação geralmente é constituído por uma viga ou estrutura metálica. A viga de
reação pode ser mantida na posição devido ao peso de um caixão ou uma plataforma
carregada fixada ou na extremidade de ancoragens solidarizadas ao terreno, ou às estacas de
tração executadas para este fim ou ainda a elementos da fundação da obra situados nas
proximidades do local a ensaiar.
Distintos arranjos de montagens são propostos para os casos de carga axial de
tração; carga transversal; cargas combinadas como, por exemplo, esforços horizontais e
verticais simultâneos. Para casos em que é necessário ensaiar uma obra já executada, por
exemplo, na execução de reforço de fundação, pode-se optar pela utilização da própria
estrutura da edificação.
25
Figura 4 – Sistema de montagem de uma prova de carga estática.
Fonte: Site da Novageo (2014)
Das Figuras 5 à 8 tem-se a sequência de fotos da montagem e execução de uma
prova de carga realizada numa estaca raiz com diâmetro acabado de 410 mm, com carga de
trabalho de 1150 kN.
Figura 5 – Colocação do macaco hidráulico sobre o bloco de coroamento da estaca.
Fonte: Autor Figura 6 – Montagem do sistema de reação
26
Fonte: Autor Figura 7 – Colocação das vigas de referência
Fonte: Autor
Figura 8 – Prova de carga estática
Fonte: Autor
Cuidados como distância mínima dos tirantes ou das estacas de reação em relação
ao elemento a ensaiar e excesso de capacidade de carga do sistema de reação em relação à
carga máxima prevista no ensaio, devem ser tomados para evitar influências indesejáveis. O
tempo de cura de elementos de concreto moldados "in situ" deve ser no mínimo o necessário
para que a resistência atingida seja compatível com as solicitações da prova de carga. Em
estacas pré-moldadas cravadas, o intervalo mínimo entre sua instalação e o início do ensaio
corresponde ao tempo necessário à consolidação do solo em torno da estaca, alterado pela
cravação. Os intervalos recomendados para fundações profundas são de 3 dias para solos não
coesivos e de 10 dias para solos coesivos.
É importante também fazer uma calibração prévia do sistema de referência para
medidas de recalques por meio dos deflectômetros; bem como observar os aspectos
27
relacionados com tirantes do sistema de reação, centralização e inclinação de macacos e
elementos testados, e a necessidade de utilização de rótulas e células de carga.
A metodologia descrita caracteriza os ensaios lentos, ou SML "slow maintained
load test". Há variações ao ensaio lento, que são: o ensaio de carregamento a uma velocidade
de recalque constante (CRP, "constant rate of penetration test"); o ensaio de carregamento
rápido em estágios (QML, "quick maintained load test"); o ensaio de carregamento em ciclos
de carga e descarga e o de carregamento cíclico (CLT e SCI", "cyclic load test" e "swedish
cyclic test"); entre outros como Godoy (1983), Polla et al. (1988), Milititsky (1991).
O QML, denominado ensaio com carregamento rápido na norma NBR
12131/2006, difere do ensaio lento basicamente por manter os estágios de carga e descarga
por tempos determinados, independente de estabilização. Os recalques são lidos apenas no
início e final de cada estágio, que dura 5 minutos; a duração do ensaio fica reduzida a pouco
mais de 2 horas e a descarga, mais rápida. Além da redução de custo e prazo, este
procedimento proporciona melhor definição da curva "carga x recalque" devido à maior
quantidade de pontos para seu traçado, de acordo com Godoy (1983). Convém lembrar que o
uso deste ensaio está restrito a obras cujas cargas têm aplicação especial; ou a solos que não
mudaram de comportamento com a velocidade de carregamento.
O ensaio CRP, com duração média da ordem de 2 a 3 horas, permite apenas
determinar a carga limite do elemento de fundação ensaiado, para uma velocidade específica
de ensaio. São provocados recalques a uma velocidade constante pré-determinada, medindo-
se a força aplicada. O ensaio é concluído quando a carga não cresce mais com a penetração,
ou quando é atingido um elevado recalque. As dificuldades de execução e a necessidade de
equipamentos especiais, como o macaco hidráulico com fluxo constante de óleo contrapõem-
se às vantagens como sua curta duração e boa definição da curva "carga x recalque"
resultante.
Nos ensaios cíclicos, CLT ou SCI", o elemento de fundação é carregado a 1/3 da
carga de trabalho prevista em projeto e, em seguida, descarregado até a metade deste carga.
Após a repetição deste ciclo por 20 vezes, aumenta-se a carga máxima do ciclo anterior em
50% e repete-se o procedimento. Como o ensaio prossegue até a ruptura, e cada ciclo dura 20
minutos, o tempo total pode ser igual ou superior a um ensaio lento SLM, não apresentando
28
vantagem neste aspecto e em alguns casos se programa um ensaio cíclico em função do tipo
de solicitação. É evidente que os resultados do ensaio estão relacionados com o método
utilizado. Por este motivo, para permitir análises e comparações, o método e suas
características devem ser detalhadamente relatados com seus resultados.
Nas provas de carga em fundações profundas, as medidas de cargas e
deslocamentos não são obrigatoriamente limitadas ao topo do elemento ensaiado. Podem ser
medidos os deslocamentos e deformações em vários pontos, visando conhecer a transferência
de carga em profundidade, ou seja, o desenvolvimento de atrito lateral ao longo do fuste e a
pressão na ponta ou base da fundação. Como alternativas, existe a possibilidade de medir a
carga que chega à ponta ou base, através da instalação de célula de carga ou macaco
hidráulico nesta posição. Recentemente, desenvolveu-se um sistema de extensômetro
removível para estas medições com a vantagem de se escolher a posição, da instrumentação
após a execução da fundação. Serve assim para determinar o produto do módulo de
elasticidade da estaca pela área de sua seção transversal, constante a ser multiplicada pelos
recalques medidos, nas determinações das cargas nos demais pontos. Como o módulo de
elasticidade é, em geral, de difícil determinação, muitas vezes se fazem determinações
experimentais destes valores na execução da prova de carga, utilizando-se de uma seção
instrumentada no topo da estaca, livre da influência do terreno, portanto, com carga e
deformação conhecidas.
Estabelece a norma NBR 12131/2006 que em ensaios como estes devem constar
do relatório a descrição detalhada dos instrumentos utilizados e seu posicionamento, as
leituras e resultados obtidos, a formulação usada para a interpretação dos dados e a
interpretação gráfica da análise. Entre os resultados estão: a descrição do ensaio, incluindo
local, instalação, montagem, equipamentos, data e hora de início e fim, ocorrências
excepcionais; natureza e características do terreno, como o perfil geotécnico obtido em uma
sondagem próxima ou, o que é preferível, no próprio local; descrição do elemento ensaiado
quando for o caso, com as características da fundação e de sua execução; curva "carga x
recalque" ou "pressão x recalque" com indicações dos tempos de início e fim de cada estágio
e os respectivos recalques.
A norma NBR 12131/2006 estabelece ainda que esta curva deve ser desenhada
em "escala tal que a reta ligando a origem e o ponto da curva correspondente á carga estimada
29
de trabalho resulte numa inclinação de (20 ± 5)° com o eixo das cargas". Décourt (1994)
recomenda a apresentação do gráfico "carga (ou pressão) x recalque" de forma adimensional,
com as tensões normalizadas pela tensão de ruptura convencional ou física, e as deformações
normalizadas pela largura da fundação; desta maneira, na faixa de interesse de deformações
de 0 a 10% da largura da fundação, a curva resultante é única e independente das dimensões
das fundações.
O gráfico carga x recalque resultante de prova de carga sobre estaca isolada pode
ser dividido em três regiões: a primeira, de quase proporcionalidade entre carga e recalque,
utilizada para determinação do coeficiente de recalque; a segunda, de deformação
viscoplástica, onde não há possibilidade de relacionamento teórico carga-recalque, pois a
velocidade de carregamento influi muito sobre os recalques e a terceira, de ruptura, na qual se
define a capacidade de carga ou carga de ruptura da estaca, quando o recalque aumenta
indefinidamente com pequenos, ou nenhum, acréscimos de carga, conforme Vargas (1977).
As Figuras 9Figura 9 e 10 apresentam a curva carga x recalque resultante de uma
prova de carga com ruptura bem definida e ruptura indefinida, respectivamente.
Figura 9 – Curva carga x recalque com ruptura bem definida.
Fonte: Autor
Figura 10 – Curva carga x recalque com ruptura indefinida.
Fonte: Autor
30
Para avaliação da carga admissível com base em de provas de carga, a norma
NBR 6122/2010 estabelece que o fator de segurança contra ruptura deve ser igual a dois; que
a natureza do terreno, a velocidade de carregamento e a estabilização dos recalques devem ser
considerados na interpretação da prova de carga; que a capacidade de carga fica definida
quando ocorre ruptura nítida (a ruptura geral). Quando não, recomenda a norma, deve-se
determinar a carga de ruptura utilizando método consagrado na mecânica dos solos. De
acordo com a norma, na curva "carga x recalque", a determinação da carga de ruptura, é
aquela correspondente ao recalque expresso pela fórmula:
(12)
Em que:
sr = recalque de ruptura convencional (em mm);
Qr = carga de ruptura convencional;
L = comprimento da estaca;
A = área da seção transversal da estaca;
E = módulo de elasticidade do material da estaca,
D = diâmetro (em mm) do círculo circunscrito à estaca, exceto para estacas barretes.
A ruptura corresponde a um recalque igual a 1/30 do diâmetro da estaca, a menos
do encurtamento elástico de seu fuste. A determinação da carga admissível também deve
atender a critério estabelecido a partir do recalque; e não pode ser superior a 1 / 1,5 daquela
que produz o recalque admissível, compatível com a sensibilidade da construção projetada,
obtida na curva "carga x recalque" da prova de carga.
Pela norma, os resultados das provas de carga estáticas são interpretados de
acordo com dois critérios, sendo um relacionado ao recalque admissível, e outro a carga de
ruptura. Os coeficientes de segurança para obtenção da carga admissível são, no mínimo, de
1,5 em relação ao recalque admissível e de 2,0 em relação à carga de ruptura. Diversos
critérios foram desenvolvidos para definição da carga de ruptura, e a seguir citam-se os mais
utilizados.
31
Quando o ensaio não chega a atingir cargas próximas do valor correspondente à
ruptura, podem resultar valores bastante variados entre os diversos critérios. Os métodos
podem ser subdivididos em quatro grupos: do recalque limite, onde a carga de ruptura é
fixada em função de um valor de recalque máximo; da deformabilidade limite, onde a carga
de ruptura corresponde a um módulo de deformabilidade limite da estaca; da interseção das
fases pseudo-elástica e pseudo-plástica, em que são definidas duas retas na curva "carga x
recalque", cada uma representando uma das fases e a carga de ruptura corresponde ao ponto
de interseção das retas das fases pseudo-elástica e pseudo-plástica; e da forma matemática,
que parte do ajuste do gráfico resultante do ensaio a uma curva com formulação conhecida.
Dentro do primeiro grupo, destacam-se os métodos de Davisson (1972), da NBR-
6122 (2010), de Brinch-Hansen (1963), e de Terzaghi (1943).
No método de Davisson (1972), a carga limite, e não propriamente a carga de
ruptura, é a correspondente ao recalque:
(13)
No critério dos 90% de Brinch-Hansen (1963), a carga de ruptura é a
correspondente ao dobro do recalque medido para 90% daquela carga.
Também proposto por Brinch-Hansen (1963), o critério dos 80% considera a
curva carga x recalque como uma parábola, e a carga de ruptura a correspondente ao recalque
quatro vezes maior que o recalque medido para 80% daquela carga. A curva traçada é ,
onde s é o recalque e Q é a carga. A carga de ruptura é o ponto da curva de coordenadas (Qu;
su), sendo e , quando o ponto de coordenadas (0,8.Qu, 0,25.su) também
estiver contido na curva. Nestas expressões, C1, é o coeficiente angular da reta e C2, é o
intercepto no eixo das ordenadas. A Figura 11 ilustra o método descrito.
32
Figura 11 – Critério dos 80% proposto por Brinch - Hansen
Fonte: Hachich et. al., 1998
O método de Terzaghi (1943) considera como carga de ruptura a que corresponde
a um recalque igual a 10% do diâmetro da ponta da estaca.
No segundo grupo, enquadra-se o método de Fuller e Hoy (1977), no qual a carga
de ruptura será aquela correspondente ao ponto na curva carga x recalque tangente a uma reta
de inclinação 1,4 mm/Tf.
No terceiro grupo destacam-se o método de Butller e Hoy (1977) e o método de
De Beer (1945).
No método de Butller e Hoy (1977), a carga de ruptura é aquela correspondente ao
ponto de interseção de duas retas tangente à curva carga recalque, uma com inclinação de
1,4mm/Tf e a outra paralela à linha de compressão elástica da estaca. Já no método de De
Beer (1945), a curva carga x recalque é levada a um gráfico log-log e para maiores valores de
carga, os pontos tendem a cair sobre duas retas cuja interseção definiria a carga de ruptura.
No último grupo estão: método de Chin (1978), método de Van der Veen (1953) e
o método de Mazurkiewiez (1972). No método de Chin (1978), é considerado que, nas
proximidades da ruptura, a curva carga x recalque seja hiperbólica; o valor s/Q, é plotado em
gráfico em função do recalque s; determina-se o coeficiente angular do trecho que resulta reto,
sendo o inverso deste valor a carga de ruptura. O método descrito está ilustrado na Figura 12.
33
Figura 12 – Método de Chin (1978)
Fonte: Hachich et al., 1998
No método de Mazurkiewiez (1972), considera-se a curva como parabólica; a
curva é dividida em partes que correspondem a recalques iguais; pelos pontos assim obtidos
são traçadas retas verticais e, onde estas interceptam o eixo das cargas, são traçadas retas a
45° com a horizontal, até interceptarem as verticais correspondentes aos pontos seguintes e
por estes traça-se a reta resultante, cuja interseção com o eixo das abscissas fornece a carga de
ruptura.
Finalmente, no método de Van der Veen (1953), a carga de ruptura é achada por
tentativas. Determina-se a carga de ruptura última por tentativas; partindo de um valor de
carga Qu qualquer adotado, calculam-se os valores correspondentes de ln (1-Q/Qu) e estes
valores são plotados em um gráfico em função do recalque s; quando resultar um gráfico reto,
o valor adotado de Qu que o originou, corresponde à carga de ruptura. A expressão que define
34
a curva carga x recalque proposta por Van der Veen (1953) foi generalizada por Aoki (1986),
dando origem ao método de Van der Veen generalizado:
(14)
Em que p e s são as coordenadas dos pontos da curva pressão x recalque, pk é a
pressão de ruptura a determinar, a é um coeficiente que depende da estaca e natureza do solo
e define a forma da curva e b é o ponto de interseção da reta procurada no método, com o eixo
das abscissas. Obtém-se a curva ajustada, arbitrando-se valores para s e calculando os valores
correspondentes para p.
Outro critério, recomendado por Vésic, é o da Norma Inglesa. Nesse critério, a
carga de ruptura é aquela que corresponde a um recalque igual a 10% do diâmetro da ponta da
estaca.
Comparações entre os métodos foram feitas por Fellenius (1980), Burin e Maffei
(1989), Moura (1997) e Sousa (2013).
A análise de Fellenius (1975) apontou valores extremos de Qu para as
metodologias de Davisson (1972) e Chin (1978), em relação às outras. Burin e Maffei (1989)
também obtiveram maior valor para o método de Chin.
Moura (1997) utilizou como base de comparação uma prova de carga em estaca
pré-moldada 30 x 30 cm, na qual houve ruptura convencional (com recalques consideráveis).
Em sua análise, observou que os métodos de Van der Veen (1953) e da Norma Inglesa
apresentaram valores bastante concordantes com o valor médio entre todas as metodologias,
enquanto o método de Chin apresentou valor consideravelmente elevado, como nas outras
comparações supracitadas. Moura (1997) concluiu ainda que é acertada a escolha do critério
de Van der Veen para extrapolação de capacidade de carga, em virtude de seus valores
médios convenientes em relação aos demais.
A Figura 13 apresenta uma comparação entre os valores de capacidade (Qu),
estimados por diferentes autores, metodologias, perfil estratigráfico e carregamento.
35
Figura 13 – Comparativos entre as metodologias de previsão de carga de ruptura
Fonte: Moura (1997)
Mesmo com essa variedade de métodos, a condição ideal é levar qualquer prova
de carga até à ruptura física ou até à ocorrência de recalques suficientemente elevados que
caracterizam a ruptura convencional.
2.1.3 Ensaio de Carregamento Dinâmico
A resposta do sistema solo- estaca à cravação pode ser interpretada para fornecer
uma previsão da sua capacidade de carga estática. A monitoração da cravação é feita por meio
de um ensaio em que se aplica um carregamento dinâmico axial com o objetivo de obter uma
avaliação de sua capacidade de carga, com a utilização de uma instrumentação adequada e da
aplicação da teoria de equação de onda. O ensaio é normatizado pela American Society for
Testing and Materials - ASTM, através da Norma D 4945/89 "Standard Method of High -
Strain Dynamic Testing of Piles. A norma brasileira, NBR-6122/2010, considera este ensaio
de carregamento dinâmico (NBR13208/2007) como uma das alternativas válidas para
avaliação da capacidade de carga, reconhecendo-se um suficiente acúmulo de experiência no
uso desta técnica; no entanto, estes métodos não devem ser utilizados isoladamente, não se
36
dispensando cálculos estáticos ou mesmo provas de carga estática. A Figura 14 apresenta um
sinal típico de PDA, resultante de uma prova de carga dinâmica.
Figura 14 – Sinal típico PDA
Fonte: Fonte: Velloso e Lopes, 2002.
Basicamente, a cravação de uma estaca pode ser analisada através de dois
modelos: o simplificado, do tipo representado pelo impacto de duas barras; e o segundo, mais
elaborado, onde a estaca é discretizada em modelo matemático de elementos de massas e
molas. Na cravação, a parte superior da estaca é comprimida e as partículas do material são
aceleradas. A onda de compressão se propaga com uma velocidade, que depende do meio.
Considerando-se uma determinada seção da estaca, num determinado intervalo Δt, a onda
atravessa um segmento Δx da estaca, intervalo no qual a partícula situada na frente da onda,
que tinha uma velocidade v = 0 (no instante t = t0,) terá sido acelerada até a velocidade v,
deslocando-se Δu da sua posição inicial. Aplicando-se o equilíbrio de forças atuantes nesta
seção da estaca e ainda considerando-se as leis básicas de Newton e de Hooke, é possível se
chegar à expressão diferencial, conhecida como Equação da Onda:
(15)
A solução geral desta equação diferencial parcial é dada por:
(16)
Esta solução representa duas ondas de deslocamento propagando-se em sentidos
opostos, ao longo do eixo da estaca com velocidade c, onde permanecem válidos os efeitos de
37
superposição. A partir desta solução, obtêm-se também as funções força F e velocidade v de
partícula, as quais mantêm uma relação de proporcionalidade, através de uma constante
denominada Impedância Z, do tipo:
(17)
Na instrumentação de uma estaca, os instrumentos só medem os valores totais de
força ou de velocidade. Por outro lado, as ondas ascendentes é que conduzem informações
dos efeitos externos e internos que provocam justamente estas reflexões. Arranjos entre
expressões matemáticas permitem identificar isoladamente as amplitudes das ondas
descendentes e ascendentes, através das equações abaixo:
(18)
(19)
Dependendo das condições da resistência na ponta, uma onda de compressão
incidente pode-se refletir na extremidade da estaca como uma onda de compressão ou de
tração, para os casos de alta resistência e baixa resistência, respectivamente. Em geral, cada
onda descendente, percorrendo uma distância dx, tem sua amplitude diminuída em
, onde RA(x) é um quinhão de resistência de atrito lateral na posição x, assim
como cada onda ascendente tem um incremento de mesmo valor. Desta forma, a influência do
solo começa a se manifestar no instante com a chegada das primeiras ondas de reflexão.
Assim, a resistência à penetração (RP) é dada por:
(20)
Em que t1 e t2 representam os instantes de impacto e de retorno da reflexão da
ponta; Ft1 e Ft2 representam as forças nos instantes t1 e t2; e vt1 e vt2 representam as forças nos
instantes t1 e t2.
Esta equação mostra que as resistências, de atrito lateral e de ponta, podem ser
determinadas através da medição adequada dos registros de força e velocidade total, em
qualquer ponto da estaca. Usualmente mede-se a deformação específica (que permite calcular
38
a força) e a aceleração (que se integrando, obtém-se a velocidade e deslocamentos). O registro
contínuo da força e velocidade num ponto da estaca junto ao topo resulta num par de curvas,
onde as mesmas se apresentam em função do tempo. Se não houvesse resistência do solo,
essas curvas se superporiam até certo ponto. Porém, as resistências causam ondas de
compressão, deslocando-se para cima, que aumentam a força na cabeça da estaca e diminuem
a velocidade.
Em 1964, um programa para realizar essas medições foi desenvolvido no atual
Case Western Reserve Institute, de acordo com Goble et al.(1980); donde resultou a técnica
de instrumentação mais utilizada em todo o mundo na atualidade, sobre a qual está baseado o
conceito da prova de carga dinâmica, no sentido mais amplo.
Para realizar a instrumentação dinâmica, é utilizado um conjunto básico de
instrumentos e equipamentos para a aquisição e tratamento de dados. Um dos esquemas mais
difundidos utiliza o Pile Driving Anayzer - PDA. De qualquer forma, a instrumentação básica
se constitui de transdutores de deformação específica e de acelerômetros, os quais permitem
obter, respectivamente, registros de força e velocidade. Estes instrumentos são fixados aos
pares numa seção da estaca, próxima do seu topo, em posições diametralmente opostas, a fim
de compensar os efeitos de momento fletor.
Os sinais enviados pelos instrumentos são processados pelo PDA, que pode
calcular vários parâmetros de interesse, sendo o principal a resistência à penetração da estaca
no solo através do método simplificado "CASE" ou similar. Estes sistemas permitem obter
ainda: força máxima do impacto; energia máxima do golpe; eficiência do sistema de cravação;
verificação de dano estrutural e sua posição; valores máximos de tensão, velocidade e
deslocamento; e avaliação da distribuição de resistência.
Dois métodos básicos são utilizados para estimativa das resistências dinâmicas e
estáticas na cravação de estacas: o método simplificado CASE, no qual a interpretação dos
resultados é feita durante a monitoração; e o método CAPWAP, onde a interpretação dos
resultados é feita posteriormente, por solução completa da Equação da Onda.
39
O método CASE é aplicado à medida que os golpes são deferidos, fornecendo
uma estimativa da capacidade de carga estática, em tempo real, dada pela soma do atrito
lateral e resistência de ponta através da fórmula:
(21)
A resistência à penetração, RT, é considerada como sendo igual à soma de duas
parcelas: uma estática, RS e outra dinâmica, RD. A resistência dinâmica é considerada
proporcional à velocidade da ponta da estaca, vp, da seguinte maneira:
(22)
Em que Jc é uma constante de amortecimento, que depende do tipo de solo, entre
outros fatores; E é o módulo de elasticidade e A é a área da seção transversal da estaca.
Se no instante t1 = 0 não houver ondas ascendentes provenientes de reflexões,
existe a proporcionalidade entre a força e velocidade de partícula; fazendo as devidas
substituições na equação 17, pode-se escrever:
(23)
A resistência estática, então, é obtida como diferença entre resistência total e a
dinâmica:
(24)
O método leva em conta a resistência atuando simultaneamente ao longo de toda a
estaca. Para estacas longas, que apresentam uma parcela significativa da resistência
proveniente do atrito lateral, este método de cálculo pode subestimar a capacidade de carga,
sendo necessária uma correção.
A Figura 15 apresenta o registro típico de força e velocidade versus impedância,
através do método CASE.
40
Figura 15 – Método CASE: registro típico de força e velocidade versus impedância de uma estaca.
Fonte: Velloso e Lopes, 2002.
O método Case Pile Wave Analysis Program - CAPWAP é o mais utilizado para
estimativa da capacidade de carga e distribuição de resistências ao longo da profundidade, a
partir dos dados de medições de força e aceleração. Em seu modelo, as forças de reação do
solo são passivas e expressas como uma função apenas do movimento da estaca. A reação do
solo é representada por componentes elastoplásticos e viscolineares.
Assim, o modelo do solo possui para cada ponto três incógnitas: a resistência
estática limite, a deformação elástica máxima (quake) e as constantes de amortecimento
(damping). A análise é iterativa, atribuindo-se valores para os parâmetros do solo e estaca, e a
mesma é prosseguida até a obtenção da suficiente concordância entre as curvas calculada e
medida e, nessa situação, os correspondentes parâmetros do modelo são considerados
representativos.
O programa CAPWAP sofreu desenvolvimentos e atualmente se denomina
CAPWAPC (modelo de solo contínuo).
A Figura 16 apresenta o ajuste de um sinal pelo método CAPWAP, no qual a
linha cheia equivale ao sinal medido, e a linha tracejada equivale à solução da equação da
onda.
41
Figura 16 – Sequência de ajuste de um sinal pelo método CAPWAP.
Fonte: Velloso e Lopes, 2002.
Quando da interpretação e análise dos resultados da instrumentação, surge um
questionamento sobre a correspondência das provas de carga dinâmicas com as provas de
carga estáticas. A literatura sobre esse ponto apresenta algumas correlações, mas existem
diferenças inegáveis entre os comportamentos dinâmicos e estáticos do solo; e a estimativa
das capacidades de carga e interpretação sofre influência de algumas variáveis como a energia
do martelo, o tempo de repouso e as variáveis adotadas.
A energia do martelo deve mobilizar toda a resistência disponível no sistema solo-
estaca, caso contrário subestima-se a resistência do solo. A resistência medida cresce com
energia aplicada até se atingir um determinado limite de resistência na interação solo-estaca,
por isso o ideal é aplicar golpes de martelo com energias crescentes para verificar a tendência
de saturação da resistência disponível no sistema solo-estaca.
Alguns solos apresentam relaxação ou recuperação das resistências medidas
durante a cravação; assim, há que se avaliar tal comportamento, através da realização de
recravações, para que a estimativa da capacidade de carga reflita as solicitações estáticas a
longo prazo. O tempo de repouso para essa recravação pode gerar recuperação da resistência
em alguns solos e este tem sido denominado na literatura como fator de set-up.
42
Parâmetros básicos, utilizados nas formulações para o cálculo das resistências
dinâmicas e estáticas, como a velocidade de propagação de onda e os coeficientes de
amortecimento ("damping") devem ser estimados no campo, quando não houver experiência
ou aferição anterior sobre o solo daquele local. Uma escolha inadequada pode acarretar
desvios nos resultados, mas estudos revelam que uma faixa de variação da ordem de 10%, é
perfeitamente plausível.
A capacidade de carga obtida através da instrumentação deve guardar uma
correlação satisfatória com resultados de provas de carga estáticas e esta exige alguns
cuidados, pois como a maioria das provas de carga estáticas raramente é levada à ruptura,
sendo necessária a aplicação de métodos de extrapolação para a definição das cargas de
ruptura. De acordo com os idealizadores da técnica de medições dinâmicas, o critério que
deve ser utilizado neste caso é o de Davisson (1972) e isto se justifica pelo fato de este critério
ter sido desenvolvido em conjunto com a análise de equação de onda, ajustado a provas de
carga rápidas, conforme Fellenius (1980).
A técnica de monitoração de cravação foi desenvolvida para estacas cravadas, pré-
moldadas de concreto ou de aço, entretanto ocorreram muitas tentativas em estender essa
técnica a estacas de concreto moldadas in situ, que depois de curadas, seriam submetidas a
golpes de um martelo; sendo a estaca Franki a primeira delas a se testada por este processo.
2.1.4 Uso da energia no controle executivo de estacas hélice contínua
O controle das escavações mecanizadas, em particular, das estacas escavadas,
realizado por meio da determinação da energia dispendida na execução da perfuração
constitui um elemento de controle tecnológico capaz de oferecer maior segurança e menor
risco às obras que as utilizam. É possível a partir do princípio universal da conservação de
energia quantificar a energia demandada durante a escavação de uma estaca e, a partir de
provas de cargas nota-se que a capacidade de carga das fundações de uma edificação é
diretamente proporcional à energia de instalação, desde que o processo de escavação esteja
sistematizado.
43
Tshua et al.(2010), por meio dos resultados dos ensaios de modelagem física em
centrífuga, verificou uma relação teórica entre torque de instalação durante a cravação e a
capacidade de carga a tração das estacas hélices executadas em solos arenosos, sinalizando
que existe uma relação entre o torque acumulado, a energia necessária para escavar uma
estaca hélice contínua e sua capacidade de carga. No entanto, o torque deve ser utilizado
como medida de controle somente se as velocidades angulares e de perfuração forem
controladas durante a escavação.
Segundo Silva (2011), durante a execução de uma estaca escavada, um
deslocamento da cota inicial da estaca (ci) para a cota final (cf) ao longo de uma trajetória
(Δxi) é imposto à ferramenta de escavação, por um sistema de forças variáveis (Fi). Portanto,
o trabalho (W) realizado para escavar uma estaca é definido pelo produto escalar destas duas
grandezas, Fi e Δxi dado por:
(25)
Analogamente, o trabalho realizado pelo atrito e pela adesão, presentes durante o
processo de escavação, que representam parcelas das forças não conservativas, ao longo deste
mesmo deslocamento, é dado por:
(26)
Considerando que o deslocamento pode ser descrito em função da energia, e que a
energia potencial depende basicamente da posição e configuração do sistema. Pode-se dizer
que para deslocar o trado de uma máquina hélice contínua, tem-se de realizar trabalho e,
consequentemente, será consumida uma energia para movimentá-lo de um ponto (y1) a outro
(y2). Logo, o trabalho realizado pela força gravitacional (Wg), quando o trado muda a sua
posição, em relação à superfície da Terra, é dado por:
(27)
Em que Fg é a força gravitacional ou peso, g é a aceleração da gravidade, m é a
massa do sistema e (y2 – y1) é a variação da posição.
44
O princípio de Hamilton, abordo por Aoki e Cintra (2000) – que parte do conceito
da energia conservativa, em que a energia não pode ser criada ou destruída, apenas
transformada – estabelece que a variação de energia cinética e potencial ocorrida dentro do
sistema, somada à variação do trabalho efetuado pelas forças não conservativas atuantes
durante qualquer intervalo de tempo (t1-t2) é igual a zero. Por outro lado, segundo Silva
(2011), a variação de energia interna (ΔK) do sistema pode ser medida através do trabalho
total externo realizado sobre o sistema, ou seja,
Wtotal = ΔK (28)
Assim, deduz-se que o princípio de Hamilton pode ser aplicado ao caso de
carregamento de qualquer sistema, em equilíbrio estático ou dinâmico e, particularmente, ao
sistema estaca–solo. Neste caso, é necessário medir o trabalho realizado por cada força
aplicada ao sistema e este é constituído por variáveis que dificilmente poderão ser isoladas.
Mas, partindo-se do conceito físico da conservação de energia, representado pela equação 22,
de que a variação de energia interna do sistema durante a escavação da estaca é igual ao
somatório do trabalho externo realizado pelas forças aplicadas ao sistema, pode-se quantificar
a energia ou o trabalho necessário para escavar a estaca.
A variação de energia térmica total do sistema ΔEst é igual à energia mecânica
aplicada ao sistema, isto é, ao trabalho realizado pelas forças externas aplicadas ao sistema
(WR). Assim:
ΔEst = WR (29)
Para quantificar o trabalho é necessário conhecer as forças externas que são
aplicadas ao sistema. A força tangencial é determinada a partir do torque aplicado ao
helicóide e do braço de alavanca. Conhecendo-se a velocidade angular e a velocidade de
perfuração, determina-se o percurso e consequentemente o trabalho realizado pela força
tangencial. O trabalho total realizado pelas forças externas é o somatório do trabalho realizado
pelas forças tangencial, gravitacional e força descendente, que é igual à energia mecânica
aplicada ao helicóide. Portanto, pode-se escrever:
(30)
45
Em que Fi é a força aplicada no helicóide; mhc é a massa do sistema de escavação;
r é o raio da estaca hélice; g é a aceleração da gravidade; zb é o comprimento da estaca, Fdi é a
força descendente e m é o numero de voltas do helicóide durante a escavação.
A partir desta equação, se pode estimar a energia necessária para escavar ou
instalar uma estaca. Definindo-se a força de impulsão vertical Nd como a soma da força
gravitacional e a força descendente, e integrando-se, é obtida a equação da energia de
instalação Es por unidade de volume Ωzi, dada por:
(31)
Em que v é a velocidade vertical do trado; ni é a velocidade angular; Mi é o torque
aplicado e Ω é a área de projeção plana do trado.
Silva e Camapum (2010) perceberam que o trabalho realizado em cada estaca
executada, por um conjunto máquina/operador, forma uma população, que se enquadra em
uma distribuição normal de probabilidade; e com isso desenvolveram o critério de aceitação
em função da média e do desvio padrão da população. A esta metodologia chamaram SCCAP
e busca minimizar o risco por meio de controle de energia durante o processo de escavação e
execução do estaqueamento. Camapum (2012) verificou ainda que a energia medida em cada
estaca é diretamente proporcional a sua capacidade de carga, viabilizando o controle através
daquela.
2.2 Estaca Tipo Raiz
2.2.1 Histórico
Na década de 1950, em Nápoles - Itália, o engenheiro e professor Fernando Lizzi
desenvolveu um processo inédito de execução de estacas injetadas, denominado de estaca
raiz. Lizzi patenteou a “Pali Radice”, um reticulado de estacas raiz, inclinadas em várias
direções, transformando um solo normal em um solo armado. Essa solução era fortemente
utilizada pela empresa italiana Fundedile para reforço de função como para novas fundações,
conforme LIZZI (1970).
46
Segundo Amann (2000), essa técnica ficou conhecida internacionalmente a partir
do X Convegno di Geotecnia, realizado em Bari na Itália em 1970. Nesse período as patentes
começaram a expirar, difundindo mundialmente essa tecnologia através de várias empresas, já
experimentando algumas alterações baseadas na mesma técnica de injeção.
Embora recente no Brasil, a partir de meados da década de 1970; tal técnica tem
sido bastante explorada nos últimos anos por empresas de fundações e é objeto de pesquisa
em todo o mundo, através de estudo sobre a técnica de execução e previsão do
comportamento desse tipo de estaca.
Segundo a NBR 6122/2010, “a estaca raiz é uma estaca armada e preenchida com
argamassa de cimento e areia, moldada in loco, executada através de perfuração rotativa ou
rotopercussiva, revestida integralmente no trecho em solo, por um conjunto de tubos
metálicos recuperáveis”.
A estaca raiz é do tipo escavada, em que se aplica injeção de ar comprimido no
topo, para moldar o fuste de argamassa de cimento, podendo ser executadas em diversos
ângulos, de zero a 90º. Como são armadas, podem trabalhar tanto a compressão quanto a
tração, desde que o fuste esteja devidamente armado.
Conforme dito anteriormente, as estacas raiz foram pensadas inicialmente para
reforço de fundações e melhoramento de solos; sendo posteriormente utilizadas como
fundações propriamente ditas e em outras aplicações, como será visto adiante.
Por se tratar de um processo diferenciado, esse tipo de estaca possibilita obter
algumas vantagens em relação aos demais processos, dependendo das condições locais e das
peculiaridades do solo em que será executada. As estacas raiz podem ser executadas na
vertical ou inclinadas, em locais com limitação de pé direito ou da área de trabalho, devido às
dimensões reduzidas do equipamento de perfuração.
A alta produtividade obtida e resistência a cargas de tração muito elevadas; a
possibilidade de atravessar uma diversidade grande de terreno inclusive, em muitos casos,
rocha, matacão, concreto armado e alvenaria; a ausência de vibração, de descompressão do
terreno e o baixo nível de poluição sonora são vantagens desta solução.
47
Por apresentar eficácia no desempenho como elemento de fundação, as estacas
raiz possuem grande aplicabilidade nas obras de geotecnia, tais como: reforço de fundações,
paredes de contenção para proteção de escavações, estabilização de encostas, fundação de
máquinas, fundação de estruturas “off-shore", fundações em locais próximos a construções
em estado precário ou com restrições de barulho, fundação em rocha, entre outros.
Conforme a FUNDESP (2012), através de equipamentos modernos é possível a
execução de estaca raiz com comprimentos elevados e o uso de carga de trabalho de até 2000
kN.
Segundo SODRÉ (1994), a utilização de estacas injetadas faz-se necessária,
principalmente, em grandes centros urbanos, nos quais se têm muitas restrições para
instalação de estacas, tais como locais de difícil acesso por equipamentos de grandes
dimensões, vibrações causadas pelo equipamento de instalação da estaca que possam causar
danos às construções vizinhas; restrições de barulho quando instaladas próximas a hospitais,
escolas, etc.
Por tais questões, o emprego de estacas injetadas se faz cada vez mais frequente, e
dentre as estacas injetadas, a estaca raiz é a que apresenta menor relação custo/carga. Isto
porque, é uma das estacas que necessitam de equipamentos mais simples, de execução
simplificada e, portanto, de mais fácil controle e rapidez na instalação, conforme CABRAL
(1986). A Figura17 ilustra um tipo de equipamento utilizado na execução de uma estaca raiz.
Figura 17 – Execução de estaca raiz
Fonte: Autor
48
2.2.2 Execução e Aplicações
O processo executivo das estacas raiz consta da locação, perfuração, introdução da
armadura, preenchimento com argamassa, remoção do revestimento em etapas e aplicação de
pressão de ar comprimido. A estaca deve ser localizada, através do gabarito da obra, devendo-
se evitar excentricidade e inclinações não previstas em projeto. Para tanto, utiliza-se o nível,
como mostrado na foto da Figura 18. As estacas podem ser executadas de maneira que a carga
dos pilares possa ser transferida para uma ou mais estacas (bloco), de acordo com o projeto. A
Figura 19 apresenta a foto da localização exata de uma estaca, antes da execução.
Figura 18 – Nivelamento do equipamento antes da escavação
Fonte: Autor Figura 19 – Locação da estaca na iminência da escavação
Fonte: Autor
49
A perfuração é realizada por equipamentos de rotação ou rotopercussão, com
circulação de água ou lama betonítica, em que os tubos de perfuração vão sendo acoplados
por rosca à medida que a perfuração avança; permitindo revestimento provisório (no caso de
areias fofas e argilas moles) para garantir a estabilidade do furo. Esse processo de perfuração
gera uma grande quantidade de lama, e o escoamento desta deve ser previsto anteriormente ao
início da perfuração.
A Figura 20 ilustra a escavação com a inserção simultânea de tubos de
revestimento, enquanto a Figura 21 apresenta a foto da escavação com utilização de broca,
para perfuração de camadas mais resistentes.
Figura 20 – Escavação de estaca raiz com tubos de revestimento.
Fonte: Autor Figura 21 – Escavação de estaca raiz com tubos de revestimento e broca.
Fonte: Autor
A colocação da armadura se dá após o alcance da cota de projeto na escavação.
Nessa etapa continua-se a injetar água sem avanço de perfuração, a fim de limpar o furo, e
instala-se então a armadura. Esta pode ser constante ou variável ao longo do fuste.
50
Geralmente possuem uma taxa de armadura maior do que as demais, pois seu processo
permite perfurações profundas em rochas ou solos moles. Em casos de pequeno diâmetro, as
barras podem ser dotadas de espaçadores. A Figura 22 apresenta a foto dessa etapa da
execução.
Em caso de estacas muito longas, pode-se usar duas armaduras com comprimento
igual à metade do comprimento da estaca, que são unidas por solda no momento da colocação
da segunda armadura, formando um só elemento, de comprimento igual ao da estaca,
deixando esta completamente armada.
Figura 22 – Colocação da armadura e uma estaca raiz.
Fonte: Autor
Na etapa de preparo e injeção da argamassa, esta é misturada, geralmente num
misturador de eixo vertical de alta turbulência, e transportada até a estaca através de uma
bomba, dando início ao processo de enchimento da estaca, que ocorre de forma submersa. A
densidade da argamassa é superior à da água, e por isso, à medida que se injeta argamassa
dentro do fuste, a água vai sendo expulsa. A norma NBR 6122/2010 estipula um consumo
mínimo de cimento de 600 kg/m3 para a confecção da argamassa.
Conforme ALONSO (1998), normalmente se utiliza um traço de 80 litros de areia
para 1 saco de 50 kgf de cimento e 20 a 25 litros de água, conferindo à argamassa uma
resistência característica elevada, superior a 20 MPa. O processo de injeção é interrompido
apenas quando a argamassa sai limpa sem sinais de contaminação e detritos.
51
Concluído o preenchimento da argamassa, um tampão metálico ligado a um
compressor é rosqueado na extremidade superior do revestimento, para aplicar golpes de ar
comprimido durante a extração do revestimento. À medida que os tubos vão sendo extraídos,
o nível da argamassa vai diminuindo, devendo ser completado antes da aplicação de novo
golpes de ar comprimido.
Da Figura 23 à 26 apresenta-se uma sequência de fotos dessa etapa da execução,
composta pelo processo de mistura da argamassa, da injeção de argamassa, da aplicação de
golpes de ar e da retirada dos tubos de revestimento, respectivamente.
Figura 23 – Mistura de argamassa para moldar o fuste de uma estaca raiz.
Fonte: Autor Figura 24 – Preenchimento do fuste da estaca raiz com argamassa.
Fonte: Autor
52
Figura 25 – Equipamento para aplicação de golpes de ar comprimido
Fonte: Autor
Figura 26 – Extração dos tubos de revestimento de uma estaca raiz.
Fonte: Autor
2.2.3 Previsão da capacidade de carga empregand-se métodos semi-empíricos
Os métodos semi-empíricos utilizam uma correlação entre os ensaios de campo,
geralmente desenvolvidos pelos ensaios de CPT e SPT para calcular diretamente a capacidade
de carga.
Os coeficientes envolvidos nas formulações são afetados por alguns fatores tais
como: procedimentos de ensaio, tipo de prova de carga, definição de carga de ruptura,
procedimentos construtivos e seus efeitos nas propriedades do solo. Segundo Milititsky &
Schnaid (1996), os resultados das correlações de natureza empírica acabam sendo
extrapolados, muitas vezes, de forma não apropriada.
53
Entre os métodos semi-empíricos para previsão de capacidade de carga serão
apresentados apenas os que podem ser utilizados para estacas cravadas e escavadas, e os
específicos para estacas raiz. São eles: Aoki e Velloso (1975), Lizzi (1982), Salioni (1985),
Cabral (1986) e Bransfond (1991).
Um resumo geral dos métodos encontra-se na Tabela 1:
Tabela 1 – Resumo dos métodos de semi-empíricos utilizados na previsão de capacidade de carga de estacas
Fonte: Autor
2.2.3.1 Método Aoki- Veloso (1975)
Segundo Aoki e Velloso (1975), a carga de ruptura da estaca é a soma das
parcelas laterais e de ponta. Dessa forma:
(32)
Em que:
Qf - Carga de ruptura
Qs - Carga resistida pelo atrito lateral na ruptura
Qp - Carga resistida pela ponta na ruptura
A carga de ruptura na ponta da estaca e dada pela seguinte expressão:
(33)
A carga de ruptura referente ao atrito lateral e dada pela seguinte expressão:
54
(34)
Em que:
Ap - Área da ponta da estaca;
K - Coeficiente função do tipo de solo, que relaciona o ensaio SPT com o CPT (Tabela 3);
U - Perímetro do fuste da estaca calculado com o diâmetro equivalente desta;
∆L - Comprimento unitário;
α - Coeficiente função do tipo de solo, que relaciona o ensaio SPT com o CPT (Tabela 3);
F1 e F2 – Fatores adimensionais (Tabela 2).
Tabela 2 – Valores de F1 e F2 em função do tipo de estaca
Fonte: Fonte: Aoki-Velloso (1975)
Tabela 3 – Valores de K e α em função do tipo de solo
Fonte: Aoki-Velloso (1975)
55
Método Aoki-Velloso, com contribuição de Monteiro (1997)
A formulação aqui é idêntica à do método Aoki Velloso, mas os valores para α, K,
F1 e F2 diferem dos valores utilizados naquele e foram estimados a partir da experiência do
autor na empresa estacas Franki.
A Tabela 9 apresenta os valores de α e K, enquanto a Tabela 10 apresenta os
valores de F1 e F2, ambas propostos por Monteiro (1997).
Tabela 4 – Valores de K e α em função do tipo de solo - Monteiro
Fonte: Aoki-Velloso (1997) Tabela 5 – Valores de F1 e F2 em função do tipo de estaca - Monteiro
Fonte: Aoki-Velloso (1997)
56
2.2.3.2 Método de Lizzi (1982)
A proposta de Lizzi despreza a resistência de ponta das estacas e atribui a resposta
ao carregamento aplicado ao atrito lateral. O autor propõe que a capacidade de carga ultima
das estacas raiz e dada por:
(35)
Em que:
d - Diâmetro nominal da estaca, isto e, o diâmetro de perfuração;
K - Coeficiente que representa a interação media entre a estaca e o solo, ou seja, a aderência solo-estaca, ou as tensões induzidas no solo pela estaca, ou a coesão do solo etc. (Tabela 4);
L- Comprimento da estaca;
I - Coeficiente adimensional de forma, que depende do diâmetro nominal da estaca (Tabela 5).
Tabela 6 – Valores de K em função das características do solo
Fonte:Lizzi (1982)
Tabela 7 – Valores de I, em função do diâmetro nominal da estaca
Fonte: Lizzi (1982)
2.2.3.3 Método de Salioni (1985)
As expressões propostas por Salioni não levam em consideração a resistência de
ponta das estacas, baseando-se exclusivamente na resistência lateral.
57
Para estacas injetadas sob baixa pressão em solos argilosos, a capacidade de carga
e dada por:
(36)
Em que:
d - Diâmetro nominal da estaca, isto é, o diâmetro de perfuração;
L - Comprimento da estaca;
σc - Resistencia a compressão simples (Tabela 6).
Para estacas injetadas sob baixa pressão em solos arenosos, a capacidade de carga e dada por:
(37)
Em que:
D - Diâmetro equivalente, considerando o volume utilizado para execução da estaca, 1,1. d < D < 1,5. D;
σ's - Tensão vertical efetiva ao longo do fuste;
φ` - Ângulo de atrito efetivo do solo.
Tabela 8 – Valores de resistência à compressão simples
Fonte: Salioni (1985)
2.2.3.4 Método de Cabral (1986)
Para o cálculo da carga ruptura, a formulação proposta por Cabral leva em conta
as parcelas de ponta e atrito lateral, ou seja:
(38)
Em que:
58
Qf - Carga de ruptura;
Qs - Carga resistida pelo atrito lateral na ruptura;
Qp - Carga resistida pela ponta na ruptura.
A parcela devido ao atrito lateral (Qs) é representada pela seguinte expressão:
(39)
Em que:
N - Número do SPT;
U - Perímetro do fuste da estaca calculado com o diâmetro equivalente desta;
∆L - Comprimento unitário;
Em que, por sua vez:
P - Pressão de injeção em Kgf/cm³;
D – Diâmetro final ou equivalente da estaca em cm.
Já a parcela devido à resistência de ponta (Qp) é dada por:
(40)
Em que:
β1, β2 - Fatores de correção determinados em função do tipo de solo (Tabela 7);
N - Número do SPT;
Ap - Área da ponta da estaca.
59
Tabela 9 – Valores de β1 e β2 em função do tipo de solo
Fonte: Cabral (1986)
2.2.3.5 Método da Brasfond (1991)
Segundo publicação da empresa Brasfond (1991), a capacidade de carga pode ser
obtida de acordo com a seguinte expressão:
(41)
Em que:
α - Coeficiente que depende do tipo de solo onde se encontra a ponta da estaca (Tabela 8);
Np - Media dos valores de SPT determinados a um metro acima e a um metro abaixo da ponta da estaca. Os valores de SPT superiores a 40 devem ser adotados iguais a 40;
Ap - Área da ponta da estaca;
β - Índice de atrito lateral (Tabela 8);
Ns - Media dos valores de SPT medidos ao longo do fuste da estaca. Os valores de SPT superiores a 40 devem ser adotados iguais a 40;
U - Perímetro do fuste da estaca calculado com o diâmetro equivalente desta;
∆L - Comprimento unitário.
60
Tabela 10 – Valores de α e β em função do tipo de solo – Brasfond
Fonte: Brasfond (1991)
Moura at. al (2012) analisaram os métodos semi-empíricos para o cálculo de
capacidade de carga de estacas raiz de pequeno e grande diâmetro em obras de Fortaleza,
comparando seus resultados com aqueles extrapolados por Van der Veen, a partir de provas
de carga estática. Dessa análise, os autores concluíram que para as estacas de pequeno
diâmetro, os métodos de Décourt e Quaresma, Cabral e Salioni tiveram resultados mais
concordantes, sendo este último o que mais se aproximou dos valores de referência. Para
estacas de grande diâmetro, o único método concordante foi o de Cabral, chegando à precisão
de 88%; e a discordância dos resultados pelo método de Salioni deveu-se ao fato de o método
desconsiderar a resistência de ponta.
2.2.4 Estado da arte para verificação do desempenho de estacas raiz
Nogueira (2004) analisou o comportamento de estacas tipo raiz (φ = 0,40 m e L =
12 m), submetidas a esforços de compressão por meio da realização de provas de carga à
compressão (lentas), executadas em solo de diabásio não saturado, e observou que, na ruptura,
em média 96,8% da carga aplicada no topo das estacas foi transferida para o fuste. Na
pesquisa, o autor comprovou a aplicabilidade conceitual das Leis de Cambefort, uma vez que
foram necessários pequenos deslocamentos, entre 2 a 5 mm, para a plena mobilização do
atrito lateral, sendo que para a ponta, até onde foi possível observar, maiores deslocamentos
fizeram-se necessários.
Nogueira concluiu que “os métodos de estimativa de capacidade de carga semi-
empíricos, os quais se propõem ao cálculo da carga de ponta para estacas raízes deveriam ser
repensados, pois resultam em percentuais de ponta várias vezes superiores ao observado, para
61
o caso do subsolo em estudo.” O autor destacou o método de Lizzi (1982), quando da
comparação com as provas de carga, porém sugere um aprimoramento do mesmo no tocante
ao estudo para maiores diâmetros de fuste e para vários outros tipos de solos.
Melo (2009) analisou provas de carga à luz do Conceito de Rigidez – método
proposto por Décourt (1996, 2008), que oferece informações de resistência de ponta e atrito
lateral, além da carga de ruptura em provas de carga comuns, ou seja, sem instrumentação – a
partir da interpretação de resultados, levantados em estacas do tipo raiz. A autora obteve
valores satisfatórios de carga de ruptura convencional em provas de carga levadas a grandes
deslocamentos e algumas restrições em provas de carga interrompidas prematuramente.
Melo (2009) concluiu que, de modo geral, para as cargas de ruptura estimadas, em
provas de carga interrompidas a cargas acima de 80% da carga máxima, nenhuma das análises
(gráfica, estatística) indicou diferenças significativas, nem limitações à aplicação do método
entre tipos de estacas, nem entre os campos experimentais; e que o método demonstrou-se
adequado às propostas de determinação da carga limite, à separação aproximada entre a carga
de ponta e o atrito lateral, à avaliação da qualidade da prova de carga e ao depurar dados de
ensaios.
Garcia et al. (2012) analisa o comportamento de estacas raiz, as quais foram
submetidas a provas de carga com carregamento lento e confronta os resultados com aqueles
obtidos por meio de modelagem numérica tridimensional pelo método dos elementos finitos,
o qual permite simular o comportamento elasto-plástico do solo, cujos parâmetros geotécnicos
foram determinados por meio de correlações obtidas a partir de ensaios de campo. Nesse
sentido, verificam, através das análises realizadas e pelo modelo de transferência de carga,
que seus comprimentos poderiam ser reduzidos, possibilitando otimizar o projeto geotécnico.
Os autores concluem que a distribuição da carga como uma função da
profundidade gerada usando as análises numéricas foi significativamente afetada pela porção
da estaca incorporado em materiais de elevada rigidez (formações rochosas), devido a sua
dissipação depende da coesão (c) e rigidez (E) e que a porção resistida pela ponta é próxima
de zero para as estacas em materiais com características de rocha (i.e., alta rigidez). Concluem
ainda que os recalques medidos usando os testes de carga e modelagem numérica foram
diretamente influenciados pela incorporação em rocha e que o substrato rochoso tem mais
62
influência como um elemento de suporte para as camadas superiores e induz mais absorvência
da carga aplicada.
Atualmente o controle executivo de estacas raiz durante o seu processo executivo
é realizado observando as seguintes variáveis: consumo de sacos de cimento, número de
golpes de ar comprimido, comparação do solo resultante da escavação com o resultado de
sondagem, através de análise tátil-visual, tempo de escavação, tempo de colocação da
armadura e tempo de injeção. A experiência parece ser um fator determinante neste caso.
Supõe-se então, que a viabilidade de monitorar alguns parâmetros relacionados
com a resistência do solo durante a escavação, poderia sim, ser uma ferramenta de controle ou
até mesmo ser empregada na previsão de capacidade de carga. Esse monitoramento constitui-
se um desafio por sua complexidade e pelos fatores externos envolvidos, como a percepção e
atuação do operador, a falta de dispositivos de monitoramento para o equipamento utilizado
na execução da estaca, e até mesmo a “lama” produzida na etapa de escavação.
Após a execução, o controle se dá por ensaios de campo, a fim de verificação de
desempenho e integridade do elemento estrutural.
Para verificação de desempenho destacam-se os ensaios de carregamento de
dinâmico e os ensaios de carregamento estático ou prova de carga estática, detalhados
anteriormente.
Para verificação da integridade, utiliza-se o ensaio de integridade sônica, o Cross-
Hole ou Cross Hole Sonic Logging – CSL, cujo objetivo é verificar a qualidade da
concretagem do fuste, através da emissão e recepção de pulsos de ultra-som.
Para determinar a variação das características do concreto ao longo do fuste da
estaca, realiza-se o ensaio de integridade propriamente dito, o qual consiste na fixação de
acelerômetro de alta sensibilidade no topo da estaca, por meio de material viscoso, como cera
de petróleo, e na aplicação de sucessivos golpes com um martelo de mão.
Conforme Gonçalves et al. (1996), o sinal obtido pelo acelerômetro é digitalizado
através de um microcomputador e posteriormente integrado para obtenção da velocidade. Este
63
ensaio pode se utilizar de equipamentos como Pile Integrity Tester - PIT, que é o mais usual,
PET Pile Echo Tester - PET ou Sonic Integrity Tester - SIT.
64
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 Metodologia
A metodologia proposta para a elaboração da presente pesquisa teve como base a
realização das seguintes etapas:
Revisão bibliográfica;
Escolha do local da pesquisa;
Coleta de dados;
Previsão de capacidade das estacas instaladas;
Monitoramento da execução das estacas;
Acompanhamento da execução de ensaio de prova de carga estática;
Análise dos resultados;
Conclusões.
Os locais que foram escolhidos para a realização da pesquisa foram definidos
segundo o critério de demanda de obras com soluções de fundações em estacas raiz, que onde
posteriormente se fizessem os ensaios de prova de carga estática.
A coleta de dados se fez necessária tanto para conhecer o perfil estratigráfico dos
locais de estudo, como para fomentar a base de dados utilizada na previsão da capacidade de
carga das estacas monitoradas.
Na etapa de monitoramento, foram acompanhadas 17 (dezessete) estacas, mas a
pesquisa concentrou-se em 03 (três) delas, obedecendo a critérios pré-estabelecidos. Nesta
etapa, observaram-se algumas variáveis envolvidas no processo de execução da estaca raiz,
considerando o sistema operador-equipamento-solo.
O conjunto operador-máquina se manteve fixo em cada obra. Esse procedimento é
importante e colabora para uma interpretação mais adequada dos resultados do
monitoramento, uma vez que, neste caso, há uma variável a menos no processo, quando da
observação e enumeração dos componentes físicos e humanos envolvidos.
65
3.2 Locais da área de estudo
Foram selecionados 02 (dois) locais, a saber, Obra 1 e Obra 2, em Fortaleza, CE.
Em ambas as obras, têm-se fundações para edifício residencial, executadas por uma empresa
local. A Obra 1 está localizada à Rua Armando Dallóllio, no Bairro Guararapes. Uma vista da
localização dessa área de estudo é apresentada na Figura 27.
Figura 27 – Mapa de Localização da Obra 1
Fonte: Google Maps
A Obra 2 está localizada num terreno entre as Ruas Justino Café Neto, Francisco
Farias Filho e Mariinha Holanda, no Bairro Cocó.
A Figura 28 apresenta uma vista da localização dessa área de estudo.
Figura 28 – Mapa de Localização da obra 2
Fonte: Google Maps
Na obra 1, foi acompanhada uma estaca raiz que, conforme projeto de fundações,
apresenta as seguintes características:
Diâmetro de 350 mm;
Comprimento de 12,0 m;
Pressão de injeção da argamassa no valor de 300 kPa;
Carga de trabalho igual a 800 kN.
66
Vale observar que a escavação foi complementada com quadricone, conforme
pode ser visto na Figura 29; e nesta obra, o equipamento de execução das estacas é uma CZM
MC140.
Na Obra 2, foram acompanhadas duas estacas raiz que, conforme projeto de
fundações, apresentam as seguintes características:
Diâmetro de 410 mm;
Comprimento de 12,00 m e de 16,00 m;
Pressão de injeção da argamassa no valor de 300 kPa;
Carga de trabalho igual a 1200 kN.
Vale observar que a escavação foi complementada com broca 1000, conforme
pode ser visto na Figura 30 e nesta obra, o equipamento de execução das estacas é uma CZM
CR140
Figura 29 – Quadricone
Fonte: Autor Figura 30 – Broca 1000
Fonte: Autor
67
Da Figura 31 à Figura 32 tem-se a apresentação da locação das estacas executadas
em cada obra, de acordo com seu respectivo projeto de fundações.
Figura 31 – Localização da estaca monitorada na Obra 1
Fonte: ROCHABRASIL, 2012 – Relatório de Sondagem Figura 32 – Localização das estacas monitoradas na Obra 2
Fonte: TECNORD, 2012 – Relatório de Sondagem
3.3 Coleta de dados
Foram coletadas, junto à empresa executora das fundações, as sondagens SPT e
os resultados das provas de carga que foram acompanhadas na etapa de monitoramento de
68
execução das estacas raiz. Tais dados foram posteriormente utilizados na previsão da
capacidade de carga.
Uma breve descrição dos perfis de sondagens e do perfil estratigráfico é
apresentada nesta seção, bem como um comparativo entre os dados de sondagem coletados.
Referentes à Obra 1, foram coletadas 4 sondagens a percussão, relativas a 4
furos distribuídos no terreno.
Das Figuras 33 à 36 tem-se a apresentação dos perfis de sondagem e seus
respectivos perfis estratigráficos; enquanto a Figura 37 apresenta um resumo das sondagens
da obra 1 e a Figura 38 apresenta o resumo das sondagens da Obra 2.
Figura 33 – Gráfico do índice de resistência (NSPT) e perfil estratigráfico do SPT01 da Obra 1
Fonte: Autor
69
Observando a Figura 33, pode-se notar que o NSPT variou de 2 a 43, alcançando
o valor máximo aos 13,0 m e o impenetrável aos 18,02 m. A estratigrafia é composta por
diferentes materiais: areia siltosa, areia argilosa, silte arenoso e argila arenosa, sendo a
camada de silte a mais espessa. O nível da água foi identificado à profundidade de 7,63 m.
Figura 34 – Gráfico do índice de resistência (NSPT) e perfil estratigráfico do SPT 02 da Obra 1
Fonte: Autor
De acordo com o perfil de sondagem da Figura 34, o NSPT variou de 2 a 31,
alcançando o valor máximo aos 15,0 m e o impenetrável aos 16,15 m. A estratigrafia é
70
composta pelos seguintes materiais: areia, areia argilosa, argila arenosa, e argila com
pedregulhos, sendo a camada de argila arenosa a mais espessa. O nível da água foi
identificado à profundidade de 6,70 m.
Figura 35 – Gráfico do índice de resistência (NSPT) e perfil estratigráfico do SPT 03 da Obra 1
Fonte: Autor
71
Conforme o perfil de sondagem da Figura 35, o NSPT variou de 2 a 43,
alcançando o valor máximo aos 16,0 m e a partir daí o solo apresentou-se impenetrável. A
estratigrafia é composta pelos seguintes materiais: areia, argila arenosa, areia argilosa, argila
com pedregulhos e argila com pedregulhos, sendo a camada de areia argilosa a mais espessa.
O nível da água foi identificado à profundidade de 6,76 m.
Figura 36 – Gráfico do índice de resistência (NSPT) e perfil estratigráfico do SPT 04 da Obra 1
Fonte: Autor
Observando o perfil de sondagem da Figura 36, o NSPT variou de 2 a 42,
alcançando o valor máximo aos 19,0 m e o impenetrável aos 22,37 m. A estratigrafia é
composta pelos seguintes materiais: areia siltosa, areia argilosa, argila silto-arenosa com
pedregulhos, argila com pedregulhos e argila arenosa, sendo esta a camada mais espessa. O
nível da água foi identificado à profundidade de 6,74 m.
72
Figura 37 – Resumo do índice de resistência (NSPT) da Obra 1
Fonte: Autor
De acordo com o perfil de sondagem da Figura 37, percebe-se que o solo
apresenta uma leve variação do índice de resistência até os 4,0 m; ocorrendo a partir daí, um
aumento desta variação até 8,0 m e tornando-se leve até 12,0m. Após essa profundidade, há
uma elevação no índice de resistência seguido de pequeno decréscimo antes de alcançar o
impenetrável.
73
Figura 38 – Resumo do índice de resistência (NSPT) da Obra 2
Fonte: Autor
Conforme a Figura 38, os perfis de sondagem são semelhantes até a
profundidade de 7,0m. A partir daí o solo apresenta uma grande variação no índice de
resistência, com NSPT entre 6 a 66. Foram destacados dois furos de sondagem, a saber, SPT 02
e SPT 06, por serem os furos mais próximos das estacas monitoradas.
74
As Figuras 39 e 40 apresentam os gráficos das sondagens destacadas na Figura
38 e seus respectivos perfis estratigráficos.
Figura 39 – Gráfico do índice de resistência (NSPT) e perfil estratigráfico do SPT 02 da Obra 2
Fonte: Autor
Conforme o perfil de sondagem apresentado na Figura 39, o NSPT variou de 4 a
63, alcançando o valor máximo aos 22,0 m; e o impenetrável aos 23,10 m. A estratigrafia
é composta por camadas de areia, silte argiloso e argila arenosa, sendo esta camada a
mais espessa. O nível da água foi identificado à profundidade de 4,0 m.
75
Figura 40 – Gráfico do índice de resistência (NSPT) e perfil estratigráfico do SPT 06 da Obra 2
Fonte: Autor
De acordo com o perfil de sondagem apresentado na Figura 40, o NSPT variou de
4 a 65, alcançando o valor máximo aos 11,0 m; e a partir daí o impenetrável. A
estratigrafia é composta por camadas de areia pouco siltosa, silte argiloso e silte argiloso
com pedregulhos, sendo a camada de areia pouco siltosa a mais espessa. O nível da água
foi identificado à profundidade de 3,85 m.
76
Em todos os perfis de sondagem, acredita-se que o termo impenetrável esteja
associado o nível de paralização das sondagens, e não propriamente à camada de solo
impenetrável.
3.4 Monitoramento
O monitoramento consistiu no controle de execução e nas medições, durante a
execução das estacas, de algumas variáveis preliminarmente escolhidas.
Dessa forma, para o controle de execução das estacas, foram observadas as
seguintes variáveis:
Tempo de execução;
Pressão de injeção de ar;
Número de golpes de ar;
Consumo de cimento.
Já as variáveis medidas durante a execução da estaca foram os seguintes:
Velocidade angular média e velocidade angular máxima do rotator da perfuratriz;
Tempo decorrido na penetração do quadricone ou da broca de perfuração em comprimentos de escavação pré-fixados;
Comprimentos de escavação (penetração) em intervalos de tempo regularmente estipulados;
Distância linear equivalente percorrida pelo rotator da perfuratriz, no intervalo de tempo medido.
As medições foram realizadas por meio de velocímetro digital, posicionado no
rotator do equipamento utilizado na execução da estaca. O aparelho fornece uma visualização
em tempo real da velocidade atual, distância percorrida e tempo atual, além de uma fácil
visualização da velocidade máxima, velocidade média, tempo total, distância total e rotações
por minuto do rotator.
O dispositivo utilizado é composto por três partes:
77
(a) Imã;
(b) Sensor;
(c) Ciclocomputador.
As partes (a), (b) e (c) do dispositivo foram fixadas nas partes 1, 2 e 3 da
máquina perfuratriz, respectivamente, conforme está apresentado na Figura 41.
Figura 41 – Localização das partes do dispositivo durante o monitoramento
Fonte: Autor
A cada giro do rotator, o ímã nele fixado se aproximava do sensor, preso à
mangueira da máquina, que por sua vez, enviava os dados para o computador, e as
informações por ele processadas eram disponibilizadas no visor do relógio. O computador foi
anteriormente programado com base no diâmetro do rotator, e os valores obtidos foram
convertidos proporcionalmente, com base no diâmetro da broca ou do quadricone utilizado na
escavação.
A partir das variáveis monitoradas durante a execução das estacas analisadas,
foram calculadas, utilizando relações da Física Clássica elementar, as seguintes variáveis:
Frequência de giro do rotator;
Frequência de giro do quadricone ou broca de perfuração;
Velocidade de avanço do quadricone ou da broca de perfuração.
78
3.5 Ensaio de Prova de Carga
As estacas monitoradas foram posteriormente submetidas à prova de carga lenta,
de acordo com a NBR 12131/2006. O carregamento das estacas ensaiadas foi realizado em 10
(dez) estágios de carga correspondente, cada um, a 20% da carga de trabalho da mesma. Após
a aplicação da carga de cada estágio a deformação foi lida imediatamente, seguindo-se de
leituras depois de decorridos dois, quatro, oito, quinze e trinta minutos. Quando as
deformações não se estabilizavam nesse período, fizeram-se leituras a cada hora a partir da
aplicação da carga até que as deformações estivessem estabilizadas.
Depois de concluído o carregamento, a carga máxima foi mantida por um
período mínimo de 12 (doze) horas. Após este período teve início o descarregamento, que foi
feito em 05 (cinco) estágios. As leituras das deformações foram feitas com intervalos de
tempo iguais aos do carregamento até que fosse atingido o décimo quinto minuto e houvesse
estabilidade das deformações.
A aplicação de carga na estaca foi feita por intermédio de um conjunto de bomba
e macaco hidráulico, com capacidade para 400,0 toneladas. Este dispositivo atuou contra um
sistema de reação estável ancorado em quatro estacas pertencentes ao mesmo bloco de
fundação, com características idênticas à estaca ensaiada. Cada um destes elementos de tração
foi equipado com 01 barra de Aço INCO 35 D Ø 40 mm, com 6,00 m de comprimento. Foram
utilizados para medição 01 (um) manômetro e 04 (quatro) relógios comparadores.
Após realização do ensaio, foram traçadas as respectivas curvas carga-recalque e
estas foram utilizadas para estimar a capacidade de carga, através do método de Van der Veen
(1953). O referido método extrapola a curva carga x recalque para níveis de carregamento que
não foram ensaiados e considera que a curva carga versus recalque pode ser ajustada a uma
curva com formulação conhecida, sendo neste caso uma formulação exponencial.
No método Van der Veen adota-se um valor para carga de ruptura Qu e traçasse
um gráfico com os valores de ln (1-Q/Qu) para carga de estágio da prova de carga em função
dos recalques correspondentes. Se o gráfico resultante for uma reta, o valor de Qu adotado é
correto, caso contrário, outro valor de Qu é adotado e recomeça-se o processo, é um processo
iterativo até conseguir uma reta, a qual corresponde a carga de ruptura. Este método é o mais
difundido que utiliza resultados de provas de carga para cálculo da estimativa da capacidade
79
de carga de estacas no meio técnico brasileiro. Estimou-se ainda a capacidade de carga da
estaca utilizando a Norma NBR 6122/10, que permite fazê-lo em provas de carga que não
apresentam ruptura nítida. Nesse método, a carga última pode ser estimada como aquela que
corresponde, na curva carga x recalque, ao recalque expresso pela equação 12:
A representação gráfica do método encontra-se na Figura 42.
Figura 42 – Carga última estimada pela NRB 6122/10
Fonte: NBR 6122/10
Os valores de capacidade de carga determinados a partir dos resultados das
provas de carga e a partir de métodos semi-empíricos foram comparados; e em seguida foi
estudada uma possível relação daqueles com os parâmetros obtidos no monitoramento.
80
4. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS
A apresentação dos resultados se dá em três etapas; primeiramente são
apresentados os resultados das previsões de capacidade de carga de três estacas empregando-
se métodos semi-empíricos; em seguida, são apresentados os resultados das provas de carga
estática e as estimativas da capacidade de carga feitas a partir dos resultados das provas de
carga. Por fim, são apresentados os resultados do monitoramento realizado nas mesmas
estacas que foram utilizadas para a realização das provas de carga.
4.1 Previsão da capacidade de carga por meio de formulações semi-empíricas
Foram efetuadas previsões de capacidade de carga de três estacas a partir dos
métodos propostos por: Aoki Velloso (1975), Lizzi (1982), Salione (1985), Cabral (1986),
Brasfond (1991) e Aoki Velloso - Monteiro (1997). Os resultados das previsões das
capacidades estão apresentados na Tabela 11.
Tabela 11 – Previsão da capacidade de carga através de métodos semi-empíricos
Fonte: Autor
Conforme apresentado na Tabela 11, a previsão da capacidade de carga da estaca
1 variou de 434,60 kN a 1314,76 kN. No entanto, com exceção do método de Lizzi (1982), as
estimativas para essa estaca apresentaram baixa variação com valor médio de 693,84 kN. Para
a estaca 2, as capacidades de carga prevista variaram de 2134,65 kN a 2697,14 kN, com
média igual a 2494,77 kN.
Vale ressaltar que, no caso da estaca 2, os valores previstos por todos os
métodos foram bastante próximos, sendo o método de Cabral (1986) o que apresentou o
menor valor. Para a estaca 3, a capacidade de carga variou amplamente de 1205,19 kN a
81
3688,88 kN, sendo que, semelhantemente ao ocorrido nas previsões para a estaca 2, o menor
valor previsto foi obtido a partir da utilização do método de Cabral (1986).
Das Figuras 43 à 45, são representadas graficamente os resultados das previsões
de capacidade de carga realizadas com emprego dos métodos semi-empíricos.
Figura 43 – Comparação das previsões da capacidade de carga da Estaca 1, a partir de métodos semi-empíricos
Fonte : Autor
Conforme se observa na Figura 43, o método que apresentou menor valor
estimado foi o método Brasfond (1991), com 434,60 kN. Já o método que apresentou a
previsão de capacidade de carga mais elevada foi o método de Lizzi (1982), ou seja, 1314,76
kN. Neste caso, foi o valor mais disperso em relação ao demais, que se mantiveram próximos.
82
Figura 44 – Comparação das previsões da capacidade de carga da Estaca 2, a partir de métodos semi-empíricos
Fonte: Autor
Conforme se observa na Figura 44, o método que apresentou a menor previsão
capacidade de carga foi o método Cabral (1986), com 2134,65 kN e o método que apresentou
o maior valor foi o método de Salione (1985), com previsão de 2697,14 kN, valor este,
praticamente coincidente ao valor previsto pelo método Aoki Velloso - Monteiro (1997).
Figura 45 – Comparação das previsões da capacidade de carga da Estaca 3, a partir de métodos semi-empíricos
Fonte: Autor
Conforme apresenta o gráfico da Figura 45, o método que apresentou menor
valor previsto foi o método de Cabral (1986), com previsão de 1205,19 kN. Já o método que
83
proporcionou a previsão de capacidade de carga mais elevada foi o método de Salione (1985),
com uma previsão no valor de 3688,80 kN, valor este bem próximo daquele encontrado a
partir do método de Brasfond (1991). Vale observar que estas duas previsões foram as que
mais se dispersaram em relação às demais. Das Figuras 46 à 48 são apresentadas as
distribuições da capacidade de carga ao longo da profundidade para as estacas 1, 2 e 3.
Figura 46 –Distribuição da capacidade de carga ao longo da profundidade para Estaca 1
Fonte: Autor
84
Figura 47 – Distribuição da capacidade de carga ao longo da profundidade para Estaca 2
Fonte: Autor
Os métodos de Lizzi (1982) e Salione (1985) apresentaram perfis gráficos
bastante variáveis, mostrando-se mais sensíveis às diferenças entre os perfis de solo e
dimensões das estacas.
85
Figura 48 – Distribuição da capacidade de carga ao longo da profundidade para a Estaca 3
Fonte: Autor
Os métodos de Cabral, Aoki Velloso e Aoki Velloso – Monteiro apresentaram
resultados semelhantes em termos ordem de grandeza de capacidade de carga para as três
estacas analisadas.
86
4.2 Previsão da capacidade de carga por meio de provas de carga estática
Das Figuras 49 à 51 têm-se a apresentação gráfica dos resultados das provas de
carga realizadas em cada uma das estacas ensaiadas, a saber, a sua curva carga-recalque.
Conforme se pode observar no gráfico da Figura 49, durante o ensaio de prova
de carga estática, a estaca 1 recebeu uma carga máxima de 1620 kN, aplicada em 9 estágios
de carregamento, alcançando um recalque máximo de 15,10 mm. Após o descarregamento,
obteve-se um recalque residual no valor de 10,10 mm.
Figura 49 – Resultado da prova de carga realizada na Estaca 1
Fonte: Autor
Uma particularidade do ensaio de prova de carga estática, realizado na estaca 1,
foi exatamente o número de estágios e a carga máxima aplicada. Neste caso, não foi aplicado
o décimo estágio para se chegar ao dobro da carga de trabalho, pois a estaca evidenciou
iminência de ruptura.
Pelo gráfico da Figura 50, durante o ensaio de prova de carga estática, a estaca 2
recebeu uma carga máxima de 2400 kN (dobro da carga de trabalho), aplicada em 10 estágios
de carregamento, alcançando um recalque máximo de 13,19 mm. Após o descarregamento,
obteve-se um recalque residual no valor de 3,54 mm.
87
Figura 50 – Resultado da prova de carga realizada na Estaca 2
Fonte: Autor
Conforme o gráfico da Figura 51, durante o ensaio de prova de carga estática, a
estaca 3 recebeu uma carga máxima de 2400 kN, aplicada em 10 estágios de carregamento,
alcançando um recalque máximo de 25,04 mm. Após o descarregamento, obteve-se um
recalque residual no valor de 18,28 mm.
Figura 51 – Resultado da prova de carga realizada na Estaca 3
Fonte: Autor
88
A partir dos resultados das provas de carga estática, através do método descrito
na norma NBR 6122/2010, foram determinadas as capacidades de carga para cada estaca. Os
resultados estão expostos entre as Figuras 52 e 54.
Figura 52 – Determinação da capacidade de carga da Estaca 1, a partir do método da NBR 6122/2010.
Fonte: Autor
Conforme pode ser observado na Figura 52, o ponto de interseção entre a reta
com equação definida pela norma e a curva experimental obtida na prova de carga, indica a
carga de ruptura da estaca 1 no valor de 1550 kN, valor este bem próximo da carga máxima
aplicada no ensaio, verificando-se assim, mais uma evidencia de iminente ruptura física
durante a realização do ensaio.
Figura 53 – Determinação da capacidade de carga da Estaca 2, a partir do método da NBR 6122/2010.
Fonte: Autor
89
Para a estaca 2, observa-se pelo gráfico da Figura 53, que a interseção entre a
reta com equação definida pela norma e a curva esperimental, coincidiu com o valor máximo
da prova de carga, ou seja 2400 kN.
Assim, pode-se perceber que a partir do método da norma NBR 6122/2010 o
fator de segurança com relação à ruptura convencional é de 2, já que a estaca foi submetida ao
dobro da carga de trabalho.
Figura 54 – Determinação da capacidade de carga da Estaca 3, a partir do método da NBR 6122/2010.
Fonte: Autor
Observando-se o gráfico da Figura 54 elaborado conforme o método descrito na
NBR 6122/2010, nota-se que a interseção entre as curvas experimental e estimada, indica uma
carga de ruptura de 2150 kN, cujo valor situa-se abaixo da carga máxima aplicada no ensaio.
O método da norma NBR 6122/2010 indica valores da carga de ruptura das
estacas ensaiadas considerando uma ruptura convencional. Tomando como base, para uma
previsão de carga de ruptura, uma ruptura física, aplicou-se ainda o consagrado método de
Van Der Veen (1953).
Os resultados estão apresentados graficamente entre as Figuras 55 e 57.
90
De acordo com o gráfico da Figura 55, o valor da carga de ruptura da estaca 1
foi estimado em 1626 kN. A definição da carga de ruptura foi realizada a partir da observação
da curva que mais se aproximou de uma reta, ou seja, para o qual o valor de R² mais se
aproxima de 1.
Vale observar que o valor aqui encontrado a partir de Van Der Veen (1953) é
bastante próximo do valor determinado a partir do método da norma, ou seja, a carga de
ruptura convencional e física foram praticamente coincidentes.
Figura 55 – Previsão da capacidade de carga da Estaca 1, a partir do método de Van Der Veen (1953)
Fonte: Autor
Conforme se observa no gráfico da Figura 56, o valor da capacidade de carga
(Qu) da estaca 2 foi estimado em 2900 kN. Vale comentar que o valor estimado a partir do
método de Van Der Veen (1953) foi 20,8% superior ao valor obtido por meio do método da
norma.
De acordo com o gráfico da Figura 57, pode-se notar que a carga de ruptura da
estaca 3 foi estimada, pelo método de Van Der Veen (1953), em 2430 kN. Novamente,
observa-se que a estimativa realizada pelo método de Van Der Veen (1953) superou em 13%
a determinação realizada pelo método da norma brasileira.
91
Figura 56 – Previsão da capacidade de carga da Estaca 2, a partir do método de Van Der Veen (1953)
Fonte: Autor Figura 57 – Previsão da capacidade de carga da Estaca 3, a partir do método de Van Der Veen (1953)
Fonte: Autor
A Tabela 12 resume os resultados até esta etapa da pesquisa.
92
Tabela 12 – Resumo geral da previsão de capacidade de carga
Fonte: Autor
A Figura 58 mostra esquematicamente comparações de valores de capacidade
de carga das três estacas, previstos por formulações semi-empíricas, pelo método de Van Der
Veen (1953) e pela norma NBR 6122/2010, sendo este último o escolhido como valor de
referência.
Figura 58 – Comparativo entre os valores de capacidade de carga estimados pelos métodos semi-empíricos, pelo método de Van Der Veen (1953) e pelo método da NBR 6122/2010.
Fonte: Autor
De acordo com o gráfico da Figura 58, pode-se observar que para a estaca 1, o
método que mais se aproximou do valor de referência, ou seja, do valor obtido pelo método
da norma, foi aquele estimado a partir do método de Lizzi. Com excessão do método de Lizzi
(1982), todos os outros apresentaram capacidade de carga abaixo de 50% daquela obtida na
norma.
93
Para a estaca 2, todos os métodos apresentaram valores concordantes com o
aquele obtido na norma, sendo os método de Brasfond (1991) o mais próximo do valor de
referência. Por fim, para a estaca 3, a capacidade de carga prevista pelo método de Lizzi
(1982) foi a mais concordante com a capacidade de carga obtida pela norma. Vale observar
que a estaca 3 foi aquela que mais apresentou discordância entre os valores previstos.
O método de Cabral (1986) apresentou valores inferiores à carga de ruptura de
referência, sendo o único método que não a superestimou, para nenhuma das três estacas,
estando assim, a favor da segurança. Além disso, seus valores ocuparam o terceiro resultado
mais próximo da norma em todos os casos.
4.3 Resultado do Monitoramento
Conforme relatado no Capítulo 3 do presente trabalho, as mesmas estacas que
foram ensaiadas na prova de carga, tiveram sua execução monitorada. Inicialmente foram
registradas as informações usualmente obtidas durante a execução de estacas raiz. Quais
sejam: comprimento executado da estaca, tempo de execução, pressão de injeção de ar,
número de golpes de ar aplicados, e consumo de cimento. Tais informações estão
apresentados na Tabela 13.
Tabela 13 – Informações registradas durante a execução das estacas raiz
Fonte: Autor
Dos dados contidos na Tabela 13, observa-se que a variável tempo de execução
das estacas 1 e 3, ambas com 12,0 m de comprimento, diferiu bastante, bem como a variável
consumo de cimento. Isso deve-se a dois principais fatores: paralisação da execução das
estacas para solucionar problemas mecânicos no equipamento, tal como rompimento da
mangueira condutora de argamassa, no caso da estaca 3; e diferenças entre os perfis de solo.
O tempo de execução da estaca 2 também foi elevado, devido à paralizações por motivos
diversos ocorridas na execução.
94
Além das informações constantes na Tabela 13, realizaram-se também
monitoramentos durante a execução das estacas. Os resultados do monitoramento estão
apresentados na Tabela 14.
Tabela 14 – Resumo dos monitoramentos realizados durante a execução das estacas
Fonte: Autor
De acordo com a Tabela 14, pode-se observar que para cada estaca foram
monitorados dois segmentos: um pequeno segmento que antecede o final da escavação (entre
15 e 30 cm) e um outro segmento de 20 cm de escavação, a fim de observar a evolução das
variáveis monitoradas, visando relacioná-las posteriormente com capacidade de carga.
Na escavação da estaca 1, observa-se um aumento da rotação mediante à
evolução da penetração, que ocorre devido ao esforço que a máquina perfuratriz aplicou ao
solo, superando a resistência oferecida pelo mesmo; de forma a gerar um esforço resultante
positivo, provocando na broca uma aceleração angular.
Em se tratando da escavação da estaca 2, o aumento da rotação mediante
diminuição da penetração evidencia que a resistencia de ponta administra o processo de
escavação, uma vez que o atrito lateral é menor, permitindo a elevação no número de
rotações, sem haver porém acréscimo de penetração.
Já para a escavação da estaca 3, maior no tempo de penetração é explicado pelo
elevado índice de resistência na ponta da perfuração. Enquanto isso, o número de rotações
diminuiu, pois o atrito lateral foi mobilizado totalmente durante o processo executivo, fato
este que não ocorreu na ponta. Assim, houve uma aceleração negativa, culminando na
redução da velocidade angular.
95
4.4 Análises dos resultados do monitoramento
Analisando os dados das variáveis monitoradas durante a execução das estacas,
pode-se descrever a tendência de cada uma delas em relação às demais, em termos de
proporcionalidade. Da Tabela 15 até a tabela 17 tem-se os resultados de uma avaliação desta
natureza. Nelas utilizou-se a sigla DP para representar o comportamento diretamente
proporcional e IP para o comportamento inversamente proporcional.
Tabela 15 – Tendências observadas nas variáveis monitoradas na estaca 1
Fonte: Autor
Na Tabela 15, para a estaca 1, observa-se que a variável velocidade de avanço é
a única inversamente proporcional às demais variáveis. Assim, todas as outras varáveis
relacionam-se em proporção direta.
Tabela 16 – Tendências observadas nas variáveis monitoradas na estaca 2
Fonte: Autor
Na Tabela 16, observa-se que para a estaca 2, a variável penetração é
diretamente proporcional apenas às variáveis tempo e velocidade de avanço. A variável
tempo é inversamente propocional apenas às vaiáveis frequência e velocidade angular. Já a
variável rotação é também inversamente proporcional à velocidade de avanço Assim, todas as
outras varáveis relacionam-se em proporção direta.
Na Tabela 17, observa-se que, para a estaca 1, a variável velocidade de avanço é
a única variável inversamente proporcional às demais variáveis. Assim, todas as outras
varáveis relacionam-se em proporção direta.
96
Tabela 17 – Tendências observadas nas variáveis monitoradas na estaca 3
Fonte: Autor
Na sequência da presente pesquisa, a capacidade de carga de cada uma das três
estacas estudadas foi relacionada com as variáveis do monitoramento de forma a buscar uma
expressão empírica que seja capaz de auxiliar o controle executivo das estacas raiz. Desta
forma, foram selecionadas duas variáveis: rotação e velocidade de avanço, uma vez que a
primeira está associada ao atrito lateral e a segunda à resistencia de ponta, conforme análises
prévias.
Dentre as seis variáveis do monitoramento, optou-se por selecionar aquelas
supracitadas por equivalerem a correlações entre as demais, ou serem componente base de
outras. A conveniência da escolha destas variáveis também se deu pela facilidade de sua
medição em campo, com base na metodologia aplicada (velocímetro digital).
O comportamento dessas variáveis foi observado e registrado, durante a
execução das estacas analisadas, nos 50 cm finais de escavação, o que possibilitou perceber,
que de fato há uma relação entre as mesmas e a capacidade de carga, quando das análises
numéricas realizadas para formular uma correlação coerente.
Além das variáveis rotação e velocidade de avanço, foram utilizadas na previsão
experimental da capacidade de carga, através de uma análise da distribuição de capacidade de
carga em função da profundidade as seguintes variáveis: índice de resistência na ponta (Nspt,
ponta), índice de resistência lateral médio (Nspt, lat), diâmetro da estaca (D), comprimento
unitário (∆l) e comprimento da estaca (L).
Vale salientar que a formulação que está sendo proposta no presente trabalho
tem por pretensão contribuir para o desevolvimento de uma formulação empírica simplificada
e aplicável, que possa ser utilizada no controle executivo de estaca raiz.
97
4.5 Desenvolvimento da proposta de método de controle executivo de estacas raiz
No desenvolvimento da formulação para o controle executivo de estaca raiz,
considerou-se que:
Qult = Ql + Qp (43)
Diversas combinações entre Qp, Ql e as variáveis descritas no item 4.4 foram
testadas, utilizando- os programas de computador Excel e Maple. Foi buscada uma previsão
da carga de ruptura das estacas 1, 2 e 3, tendo como referência o valor obtido no método da
norma NBR2122/2010 como uma função das variáveis monitoradas, segundo relações do tipo
polinomial, exponencial, logarítmica e combinação linear.
Dentre as diversas combinações testadas estão as seguintes:
Qult = 3πvNpL+7UrNlatL
Qult = re0,2Nlat
+ [– 5ln(vNp)]
Qult = 1000vL + rπDN/2
Qult = 10,98rNlal + 288vNp
Qult = 1000vNp1,7
+ 0,9rNlat1,5∆L/UL
As expressões supracitadas apresentaram picos elevadíssimos de carga para
elevados valores de NSPT ou apresentaram alguma anomalia, como valores negativos, por
exemplo, nos valores estimados de capacidade de carga. Por outro lado, estas análises foram
importantes para o melhor entendimento em termos de comportamento das variáveis e no
desenvolvimento da futura expressão proposta, uma vez que possibilitaram tratar os dados
obtidos no monitoramento por distintos aspectos.
A partir das análises realizadas foi possível assumir que a parcela relativa à
resistência de ponta, Qp deverá ser composta pelas variáveis área da ponta (Ap), velocidade
de avanço (va) e índice de resistência de ponta (N SPT,ponta); enquanto a parcela relativa ao
atrito lateral Ql deverá ser composta pelas seguintes variáveis: rotação (r), perímetro da
98
estaca (U = πD), comprimento unitário da estaca (∆L), comprimento total da estaca (L) e
índice de resistência lateral (NSPT,lat).
As constantes envolvidas na formulação foram determinadas por meio de
análises numéricas triviais, utilizando-se os programas Excel e Maple. De acordo com a
expressão em teste, sistemas de equações eram elaborados e, conforme a discussão e solução
do sistema, as constantes eram calculadas. Posteriormente, a solução encontrada nos sistemas
lineares foi submetida a um procedimento de ajuste, com base no método dos mínimos
quadrados, de forma que para as três estacas, o somátorio do quadrado da diferença dos
valores da capacidade de carga de referência e prevista apresentasse o menor valor.
Dessa forma, considerando que a capacidade de carga, Qult, seja dada pela
igualdade da equação 43, tem-se que a expressão 44, em que o coefienciente α é obtido
através da Tabela 18 em função do diâmetro da estaca, para parcela de ponta; e a expressão
45, para a parcela de atrito lateral.
(44)
(45)
Tabela 18 – Valores de α (método proposto)
Fonte: Autor
Os resultados da previsão da capacidade de carga, para as estacas 1, 2 e 3
utilizando-se a expressão proposta estão apresentados na Tabela 19.
Tabela 19 – Previsão de capacidade de carga pelo método experimental
Fonte: Autor
99
De acordo com a Tabela 19, observa-se que o erro percentual entre os valores
estimados e os valores de referência considerados foi de, no mínimo 0,2% e no máximo 12%.
Nas Figuras 59 à 61, apresenta-se ao longo da profundidade uma comparação
entre os valores de capacidade de carga, estimados pelo método da Norma, pelo método de
Lizzi (1982), pelo método de Cabral (1986) e pelo método proposto, para as estacas 1, 2 e 3.
A partir do gráfico da Figura 59, observa-se que os valores da capacidade de
carga da estaca 1, obtidos pelo Método de Lizzi (1982) e pelo método proposto são
praticamente coincidentes até a profundidade de 5 m.
As estimativas efetuadas pelo método proposto superaram os obtidos pelo
método de Lizzi (1982) somente a partir de estacas com 8 m de comprimento. Vale observar
ainda que, para o comprimento de 12 m, a estimativa de Qult que mais se aproximou do valor
de referência (obtido pela NBR 6122/2010) foi o valor previsto pelo método proposto. Os
valores obtidos por Cabral (1986) mativeram-se inferiores aos demais, ao longo de toda a
profundidade.
Para a estaca 2, de acordo com o gráfico da Figura 60, observa-se que os
resultados estimados pelo método de Cabral (1986) mantiveram-se na média da faixa de
variação, até a marca de 9 m, apresentando pico aos 11 m de comprimento.
Os valores obtidos pelo método proposto e por Lizzi (1982) tendem a
aproximar-se a partir dos 12 m de pronfundidade. Observa-se novamente, uma boa
concordância entre o valor de Qult estimado pelo método proposto e o valor de referência.
100
Figura 59 – Comparativo de valores da capacidade de carga para a estaca 1
Fonte: Autor
Figura 60 – Comparativo de valores da capacidade de carga para a estaca 2
Fonte: Autor
Conforme o gráfico da Figura 61, observa-se certa proximidade dos resultados
obtidos pelo método proposto e pelo método de Lizzi (1982) até comprimento de 9 m. Os
valores da capacidade de carga obtidos para a estaca 3, pelo método de Cabral (1986),
mantiveram-se inferiores aos demais ao longo de toda a profundidade. O método que
proporcionou valores mais próximos do valor de referência, porém superior, foi aquele obtido
no método proposto.
101
Figura 61 – Comparativo de valores da capacidade de carga para a estaca 3
Fonte: Autor
Uma comparação geral entre todas as previsões da capacidade de carga
abordados neste trabalho está apresentada graficamente da Figura 62 até a Figura 64.
102
Figura 62 – Comparativo geral da estaca 1
Fonte: Autor
Figura 63 – Comparativo geral da estaca 2
Fonte: Autor
Com base nos gráficos da Figura 62 até a Figura 64, as estimativas de
capacidade de carga realizadas pelo método proposto mantiveram-se dentro da faixa de
variação obtida a partir dos métodos semi-empíricos, apresentando as seguintes tendências:
para a estaca 1, a curva obtida mateve-se na parte superior da faixa de variação das previsões,
enquanto para a estaca 2, os valores mantiveram-se na parte inferior da faixa de variação. Já
103
para a estaca 3, os resultados mantiveram-se na média, em relação aos resultados dos demais
métodos, exceto para os três últimos metros analisados.
Figura 64 – Comparativo geral da estaca 3
Fonte: Autor
Os valores obtidos pelo método proposto apresentaram-se próximos do valor de
referência, sendo considerado coerente e satisfátório para prever a capacidade de carga de
estacas tipo raiz, utilizando-se de variáveis como o índice de resistência obtido na sondagem
104
SPT, diâmetro e comprimento da estaca, bem como das variaveis obtidas no monitoramento,
durante o processo executivo, a saber, rotação e velocidade de avanço.
Compreende-se, portanto, que existe a correlação entre a capacidade de carga e
as variáveis sugeridas. Vale ressaltar que com a proposta deste trabalho, pretende-se
principalmente aapresentar um proedimento simplicado de controle executivo de estacas raiz
para auxiliar na tomada de decisão de interromper ou não a execução dessas estacas.
Foram monitoras outras 14 estacas e para estas a verificação do método proposto
proporcionou estimativas próximas do limite (superior ou inferior) da faixa de variação da
capacidade de carga obtida pelos metodos semi-empíricos. As curvas dessas estacas
monitoradas estão apresentadas nos anexos e apara as mesmas, o método semi-empírico que
apresentou valor mais concordante com o uso da expressão proposta nesse trabalho foi o
método de Lizzi (1982).
105
5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES
De forma a faciliar o entendimento das conclusões, as mesmas foram
subdivididas.
Com relação ao tema abordado neste trabalho, pode-se concluir que:
A partir da escassa disponibilidade de referências atuais sobre o controle
executivo de estacas raiz, observa-se que o desenvolvimento de pesquisas
nesse tema ainda é notavelmente tímido;
Devido às características do equipamento utilizado na execução de estacas
raiz e o seu processo executivo, observa-se a dificuldade de monitoramento
durante o mesmo, através de dispositivos eletrônicos. Isso justifica porque
ainda hoje, a utilizaçao de prova de carga apresenta-se como o meio mais
difundido para verificação de desempenho.
Quanto à capacidade de carga das estacas ensaiadas, pode-se concluir que:
As previsões de capacidade de carga, por métodos semi-empíricos, das
estacas 1 e 3 apresentaram uma elevada variação, com valores de até 3
vezes em relação ao menor valor previsto, No entanto, para a estaca 2, a
variação foi de apenas 26%;
A partir dos resultados das provas de carga observa-se que o solo-estaca
apresentou fator de segurança igual a 2 para as estacas 2 e 3; e 1,8 para a
estaca 1;
Na prova de carga da estaca 1, foi observada iminência de ruptura física,
ao final da aplicação do último estágio de carga, do ensaio, enquanto na
prova de carga da estaca 3, foi observada a ocorrência de ruptura
convencional.
Na prova de carga da estaca 2, não foi observada ocorrência de ruptura,
sendo assim necessário estimar a sua carga de ruptura por meio do método
de Van Der Veen (1953).
106
Os resultados das provas de carga realizadas nas estacas foram
concordantes com a previsão média dos métodos semi-empíricos, exceto
para a estaca 1;
Quanto ao monitoramento, pode-se concluir que:
O controle das variáveis como tempo de execução das estacas, pressão de
injeção, e consumo de cimento fornecem informações bastante úteis com
relação à avaliação do desempenho dessas estacas raiz como elemento de
fundação;
Foi observada a necessidade de preservar o mesmo conjunto máquina-
operador durante o monitoramento realizado, de forma a minorar fatores
intervenientes adicionais que supostamente infuenciariam no processo
executivo;
As variáveis monitoradas foram particularmente úteis para as análises, de
forma que foi possível discutir as tendências da resistência de ponta e do
atrito lateral, durante a escavação das estacas;
Testar diferentes expressões foi importante para o melhor entendimento
em termos de comportamento das variáveis no desenvolvimento da futura
expressão proposta;
Os resultados obtidos pela expressão proposta foram concordantes com os
valores de referência, em termos de ordem de grandeza, para as estacas 1,
2 e 3. No entanto, para a estaca 3 o resultado mostrou-se moderadamente
superior ao valor de refência;
Foi verificado que há correlação entre a capacidade de carga e as variáveis
monitoradas;
Em comparação com os métodos semi-empíricos abordados neste trabalho,
as estimativas realizadas pela expressão proposta resultaram em valores
mais concordantes com o método de Lizzi;
Neste trabalho, foi possível estabelecer uma expressão semi-empírica que
configura-se como uma proposta que pode auxiliar no controle executivo
de estaca raiz.
107
Para futuros trabalhos, sugere-se:
Realizar o monitoramento das variáveis em todo o processo e não apenas
na faixa de paralização da escavação, obtendo assim valores mais
específicos e realistas ao longo da profundidade;
Monitorar novas estacas com prova de carga, executadas em perfis de
solos diferentes daqueles apresentados neste trabalho, a fim de obter novas
medidas e assim testar a aplicabilidade da expressão proposta;
Realizar análises estatísticas que confiram confiabilidades à proposta feita.
108
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AMANN, K.A.P; MASSAD, F. Estacas raiz: avaliação crítica e proposta de melhoria dos
métodos semi-empíricos de estimativa de carga de ruptura. Seminário de engenharia de
fundações especiais. Anais. SEFE IV. ABEF/ABMS. São Paulo / SP, 2000;
AOKI, N.; CINTRA, J.C.A. (2000). The application of energy conservation Hamilton’s
principal to the determination of energy efficiency in SPT tests. In: VI INTERNATIONAL
CONFERENCE ON THE APPLICATION OF THE STRESS-WAVE THEORY TO PILES,
São Paulo, Anais… p.457-460.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6122: Projeto e execução
de fundações. Rio de Janeiro / RJ, 2010;
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6489 Prova de carga direta
sobre terreno de fundação. Rio de Janeiro / RJ, 1984;
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8044: Projeto geotécnico -
Procedimento. Rio de Janeiro / RJ, 1983;
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 9061: Segurança de
escavação a céu aberto. Rio de Janeiro / RJ, 1985;
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8681: Ações e segurança
nas estruturas – Procedimento. Rio de Janeiro / RJ, 2003/2004;
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 13208. Estacas – Ensaio de
carregamento dinâmico. Rio de Janeiro / RJ, 2007;
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. MB 3472. Estacas – Prova de
Carga estática. Rio de Janeiro / RJ, 1991;
109
ALONSO, U. R. Estacas injetadas. In: HACHICH, W. et. al (Eds.) Fundações: teoria e prática. 2.ed. Editora Pini, p.361-372. São Paulo, 1998;
AOKI, N.; VELLOSO, D. A. An approximate method to estimate the bearing capacity of
piles. In: PAN AMERICAN CONFERENCE OF SOIL MECHANICS AND FOUNDATION
ENGINEERING. Buenos Aires, Argentina. Proceedings. Buenos Aires: ISSMGE, v. 1, p.
215-218, 1975;
AOKI, NELSON. Controle “in situ” da capacidade de carga de estacas pré-fabricadas via
repique elástico da cravação – ABMS. São Paulo, 1986;
AOKI, NELSON; CINTRA, JOSÉ CARLOS A. Fundações por estacas - Projeto Geotécnico /
Oficina de Textos. São Paulo / SP, 2010;
AOKI, N.; VELLOSO, D. A. An approximate method to estimate the bearing capacity of
piles. In: PAN AMERICAN CONFERENCE OF SOIL MECHANICS AND FOUNDATION
ENGINEERING. Buenos Aires, Argentina. Proceedings. Buenos Aires: ISSMGE, v. 1, p.
215-218, 1975;
BROMS. B B; CHOO. L.P. A Simple Pile Driving Formula Based on SlressAVave
Measurements. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON THE APPLICATION OF
STRESS-WAVE THEORY TO PILES, 3. Ottawa. Canada. Proceedings. p. 477-489, 1988;
BENATI, JULIANO BERTELLI. Metodologia de execução e determinação da capacidade de
carga de estacas de pequeno diâmetro cravadas e injetadas. Viçosa / MG, 2007;
BERBERIAN, D. Estacas e fórmulas empíricas. Brasília. Linha gráfica Editora, 1994;
BURIN, S. M.; MAFFEI, C. E. M. Estimativa da carga de ruptura de estacas a partir de
resultados de provas de carga. São Paulo / SP, 1989;
CABRAL, D. A. O uso da estaca raiz como fundação de obras normais. In: CONGRESSO
110
BRASILEIRO DE MECÂNICA DOS SOLOS E ENGENHARIA DE FUNDAÇÕES. Anais.
Porto Alegre: ABMS, v. 6, p. 71-82, 1986;
CINTRA, JOSÉ CARLOS A; AOKI, NELSON. Fundações por estacas: projeto geotécnico.
Oficina de textos, São Paulo – 2010;
CÓDIGO DE DEFESA DO CONSUMIDOR. Brasil, 1991;
DÉCOURT. LUCIANO; AOKI, NELSON; GODOY,NELSON S. Capacidade de carga de
estacas pré-moldadas – Encontro Técnico. São Paulo 1983;
DÉCOURT. L. Fundações e interação solo-estrutura. Relato geral. COBRAMSEF. Anais.
ABMS. Foz do Iguaçu / PR,1994;
DE REZENDE LOPES, FRANCISCO; VELLOSO, DIRCEU A. Fundações – Volume
Completo / Oficina de Textos;
FELLENIUS, B.H. The Analysis of Result from Routine Pile Load Test. GROUND
ENGINEERING. P. 19-31. September, 1980;
FUNDESP. www.fudesp.com.br – site oficial, 17/11/2012 – 18:00.2011;
GARCIA, J.R.; ALBUQUERQUE, P.J.R.; MELO, R.A.A. Experimental and numerical
analysis of foundation pilings partially embedded in rock. REM:R.Esc. 66(4) 439-446. Ouro
Preto / Minas Gerais. 2013;
GOBLE, G.G.; RAUSCHE, F.; LIKINS JR., G E. The Analysis of Pile Driving - A State of
the Art. In:. INTERNATIONAL CONFERENCE ON THE APPLICATION OF STRESS-
WAVE THEORY ON PILES. 2. Stockholm. Proceedings, 1980;
111
GODOY, N. S. de. Interpretação de provas de carga em estacas. In. ENCONTRO TÉCNICO
SOBRE CAPACIDADE DE CARGAS DE ESTACAS PRÉ-MOLDADAS. Associação
Brasileira de Mecânica dos Solos – ABMS-NRSP. B: 1982/1984; São Paulo, 1983;
GONÇALVES, C.; ANDREO, C. S.; BERNARDES, G. P. ENSAIO DE CARREGAMENTO
DINÂMICO. 1. ED. SÃO PAULO, 1996.
HACHICH, W.; FALCONE, F.F.; SAES, J.L.; FROTA, R.G.Q.; CARVALHO, S. NIYAMA,
Fundações: Teoria e Prática. 2th ed. Pini. São Paulo / SP 1998;
LAUTENSCHLÄGER, CARLOS EMMANUEL RIBEIRO. Modelagem numérica do
comportamento de fundações profundas submetidas a carregamento lateral. Porto Alegre / RS,
2010;
LIBERATO, T. R. B. Avaliação da previsão da capacidade de carga de estacas por meio de
provas de carga não rompidas. Fortaleza / CE, 2013;
LIZZI, F. The static restoration of monuments. Basic criteria-case histories strengthening of
buildings damaged by earthquakes. Genova, Italy: Sagep Publisher, 1982;
LIZZI, F. The “pali radice” (root piles) - A state-of-the-art report. In: INTERNATIONAL
SYMPOSIUM ON RECENT DEVELOPMENTS IN GROUND IMPROVEMENT
TECHNIQUES, 1982, Bangkok, Thailand. Proceedings... Bangkok: ASIAN INSTITUTE OF
TECHNOLOGY, 1982, v. 1, p. 417-432;
MARANHA DAS NEVES, E. Nova regulamentação europeia no domínio do projeto
geotécnico. In. CONGRESSO BRASILEIRO DE MECÂNICA DOS SOLOS E
ENGENHARIA DE FUNDAÇÕES – Anais ABMS. São Paulo / SP, 1995;
MATSUO, M.; SUGAI. M.; NAKATA, S.; KOSEAKI, T. A Method of Evaluation of
Bearing Capacity of Steel Pipe Pile by Dynamic Displacement Wve of Pile Tops. In: ICSMF.
112
12. Proceedings, Discussion Session l4,Technical Committee on Pile Driving. Drivability of
Piles, v.l, p. 13-16, 1989;
MELO, BÁRBARA NARDI. Análise de provas de carga à compressão à luz do conceito de
rigidez. Campinas / SP: 2009;
MILIT1TSKY, J. Provas de carga estáticas. SEFE. Anais, ABEF/ABMS, v.2. São Paulo / SP,
1991;
MOURA, ALFRAN SAMPAIO. Caracterização geotécnica para projetos de fundações de
edifícios em Fortaleza. Fortaleza / CE, 1997;
MOURA, A.S.; NÓBREGA, A.J.J.; AGUIAR, F.P. Análise de métodos semi-empíricos para
o cálculo de capacidade de carga de estacas raiz de pequeno e grande diâmetro em obras de
Fortaleza;
MOURA, ALFRAM SAMPAIO. Notas de aula. Fortaleza / CE, 2012;
NÓBREGA, A.J.J.; MOURA, A.S.; DANTAS NETO, S.A. Análise de métodos semi-
empíricos para o cálculo da capacidade de carga de estacas raiz de pequeno diâmetro, com
base em provas de carga estática em uma obra de Fortaleza – CE. Fortaleza / CE;
NOGUEIRA, R. C. RIBEIRO. Comportamento de estacas tipo raiz, instrumentadas,
submetidas à compressão axial, em solo de diabásio. Campinas / SP: 2004;
ONTIVEROS, JOSÉ ALBERTO SORIA GALVARRO. Estudo de carga lateral e de ponta
em estacas moldadas “in loco” via metodologia alternativa de prova de carga. Viçosa – MG,
2012;
POLLA. C.M.; MORAES. J.T.L.; AZEVEDO JR.. N.; NIYAMA, S. Provas de carga em
fundações. Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo. São Paulo / SP, 1988;
113
PRESA, ERUNDINO POUSADA; POUSADA, MANUELA CARNEIRO. Retrospectiva e
técnicas moderna de fundações em estacas – ABMS, Salvador / BA, 2001;
ROCHABRASIL. Relatórios de Sondagem, 2012;
RODRIGUES, BARBARA CALUFF; FILHO, JOÃO FRANCO. Estudo comparativo entre
prova de carga dinâmica, prova de carga estática de projeto e métodos dinâmicos em estacas
de perfis metálicos: estudos de casos. Pará, 2012;
SALIONI, C. Capacidade de carga de estacas injetadas. In: SEMINÁRIO DE
ENGENHARIA DE FUNDAÇÕES ESPECIAIS E GEOTECNIA - SEFE 1, 1985, São Paulo,
Brasil. Anais... São Paulo: ABEF/ABMS, 1985, separata, v. 1, p. 13-27;
SILVA, CARLOS MEDEIROS. Energia e Confiabilidade aplicada aos estaqueamentos tipo
hélice contínua. Brasília / DF, 2011;
SILVA, CALOS MEDEIROS; CAMAPUM DE CARVALHO, J. Metodologia para o
controle de qualidade dos estaqueamentos tipo hélice contínua - A rotina SCCAP. Revista
Fundações e Obras Geotécnicas, v. 1, p. 50-57, 2010;
SODRÉ, D.J.R. Análise estatística de métodos de precisão do comportamento de estaca raiz.
Escola de Engenharia de São Carlos. São Carlos, 175p. + apêndice, 1994;
SOUSA, RODOLFO BARROS. Análise comparativa de métodos de previsão da carga de
ruptura de estacas raiz a partir de provas de carga não rompidas, Fortaleza: 2013;
UTO. K.; FUYUKI, M.; HASHIZUME, T.; OSH1MA, I.; ASKA1, Y.; WATANABE. M.;
WATANABE, T.; SATO, S.; NAITO, S.;KUMAMOTO. K.; EYA. S. Dynamic Bearing
Capacity, Wave Theory, Pile Driving Control. Penetrability and Drivability of Piles.
Proceedings. T,C. on Penetrability and Drivability of Piles. v.l. 1985;
114
VARGAS. M. Uma experiência brasileira em fundações por estacas. GEOTECNIA, nº 23, 31
e 32. Lisboa, 1977;
VAN DER VEEN, C. The bearing capacity of a pile. In: INTERNATIONAL CONFERENCE
OF SOIL MECHANICS AND FOUNDATION ENGINEERING. Zurich, Switzerland.
Proceedings. Zurich: ICOSOMEF, v. 2. p. 84-90; 1953;
____. LOPES, F. R. Fundações: Fundações Profundas. Rio de Janeiro: COPPE/UFRJ, 2002.
v. 2, 472p.
VELLOSO. P.P.C. Fundações. Aspectos Geotécnicos. Publicação do Departamento de
Engenharia Civil da PUC - RJ. v.2/3. Rio de Janeiro / RJ, 1987;
VELLOSO, DIRCEU A. Fundações Vol. 2 - Fundações Profundas / Oficina de Textos. Rio de
Janeiro 2002;
TECNORD. Relatórios de Sondagem, 2012;
TSUHA,C.H.C.; AOKI, N.; RAULT, G.; THOREL, L.; GARNIER, J.. Modélisation
physique de pieux hélicoidaux mis em place dans du sable. Revue Française de Géotechnique,
v 130, p 15-23, Paris, 2010.
115
APÊNDICES
APÊNDICE A: MONITORAMENTO DAS ESTACAS SEM PROVA DE CARGA
As estacas monitoradas estão divididas em quatro grupos, conforme a
proximidade do furo de sondagem:
SPT 01: E108 a E121
SPT 02: E132 e E136
SPT 03: E145 e E146
SPT 04: E85 e E86
Tabela A 1 – Resultados do monitoramento nas estacas sem prova de carga
Fonte: Autor
116
APÊNDICE B – PREVISÃO DE CAPACIDADE DE CARGA DAS ESTACAS SEM PROVA DE CARGA, POR MÉTODOS SEMI-EMPÍRICOS.
Figura B 1 – Previsão de Qult da Estaca 85
Fonte: Autor
Figura B 2 – Previsão de Qult da Estaca 86
Fonte: Autor
117
Figura B 3 – Previsão de Qult da Estaca 108
Fonte: Autor
Figura B 4 – Previsão de Qult da Estaca 109
Fonte: Autor
118
Figura B 5 – Previsão de Qult da Estaca 110
Fonte: Autor
Figura B 6 – Previsão de Qult da Estaca 113
Fonte: Autor
119
Figura B 7 – Previsão de Qult da Estaca 115
Fonte: Autor
Figura B 8 – Previsão de Qult da Estaca 116
Fonte: Autor
120
Figura B 9 – Previsão de Qult da Estaca 117
Fonte: Autor
Figura B 10 – Previsão de Qult da Estaca 121
Fonte: Autor
121
Figura B 11 – Previsão de Qult da Estaca 132
Fonte: Autor
Figura B 12 – Previsão de Qult da Estaca 136
Fonte: Autor