fundações profundas

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    11-Jul-2015

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<p> Disciplina: FUNDAES Cdigo: 101134 Professor: Erinaldo Hilrio Cavalcante Notas de Aula FUNDAES PROFUNDAS Captulo 7 Capacidade de Carga e Recalque Aracaju, maio de 2005 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL REA DE GEOTECNIA E ENGENHARIA DE FUNDAES 1831.0Introduo185 2.0Capacidade de Carga de Estacas185 2.1Conceituao Bsica da Capacidade de Carga de Estacas Isoladas186 2.2O Conceito de Ruptura186 2.3Mtodos de Previso de Capacidade de Carga de Estacas188 2.3.1Frmulas Tericas (Racionais) para Resistncia de Ponta188 2.3.2Frmulas Tericas (Racionais) para a Resistncia de Atrito Lateral194 2.3.3Frmulas Semi-Empricas que Empregam o SPT200 2.3.3.1Mtodo de Aoki e Velloso (1975)200 2.3.3.2Mtodo de Dcourt e Quaresma (1978)203 2.3.3.3Mtodo de Velloso (1981)205 2.3.3.4Mtodo de Teixeira206 2.3.3.5Mtodos para Casos Particulares de Estacas207 2.3.4Frmulas Semi-Empricas que Empregam o CPT209 2.3.4.1Mtodo de Philipponat209 2.3.4.2Mtodo de Holeyman210 2.3.4.3Mtodo de Almeida et al. (1996) - CPTU211 2.3.5Realizao de Provas de Carga Estticas212 2.3.5.1Prova de carga lenta (SML)213 2.3.5.2Prova de carga rpida (QML)213 2.3.5.3Montagem de uma Prova de Carga213 2.3.5.4Extrapolao e Interpretao de uma Curva Carga - Recalque214 2.3.6RecomendaesQuantoaoUsodosMtodosdePrevisodeCapacidadede Carga 216 3.0Capacidade de Carga de Tubules217 3.1Comportamento dos Tubules217 3.2Tubules a Cu Aberto219 3.3Tubules a Ar Comprimido221 4.0Mtodos Dinmicos de Capacidade de Carga de Estacas222 4.1Observao da resposta cravao do sistema soloestaca222 4.2Sistemas de cravao de estacas223 4.3Frmulas Dinmicas de Capacidade de Carga224 4.3.1Frmula Geral ou de Hiley226 4.3.2Frmula dos Holandeses226 4.3.3Frmula dos Dinamarqueses227 4.3.4Frmula de Brix227 1845.0Estimativas de Recalques de Fundaes Profundas228 5.1Transferncia de Carga e Recalque da Estaca para o Solo228 5.2Mtodos para Previso de Recalques de Estacas229 5.2.1Mtodos Tericos (Teoria da Elasticidade)230 5.2.1.1Mtodo de Poulos &amp; Davis (1968)230 5.2.1.2Mtodo de Vsic (1969, 1975)232 5.2.2Mtodos Semi-Empricos234 5.2.3Ajuste da Curva Carga-Recalque235 6.0Procedimentos Gerais de Projeto237 6.1Disposio das estacas em bloco237 6.2Arrasamento da estaca243 7.0Grupos de Estacas e Tubules244 7.1Capacidade de Carga de Grupo de Estacas Instaladas em Areias244 7.2Capacidade de Carga de Grupo de Estacas Instaladas em Argila245 7.3Recalque de Grupo de Estacas246 7.3.1Recalque de Grupo de Estacas Instaladas em Areias247 8.0Atrito Negativo247 8.1Avaliao do Atrito Negativo em Estacas Isoladas248 8.2Atrito Negativo Coeficiente de Segurana249 8.3Preveno do Atrito Negativo249 8.4Atrito Negativo em Grupo de Estacas249 9.0Exemplos de Aplicao250 10.0Bibliografia Consultada252 Acargaadmissveldeumestaqueamento(grupodeelementosisoladosdefundaoemestacas)fixadapor cada profissional que se julgue especialista neste tipo de fundao. O valor numrico por ele fixado decorre de sua experincia pessoal com aquele tipo especfico de fundao naquela formao geolgica, quando executado com o equipamentodaquelafirmaespecializada.Nestecontextofundaoumaarteeasdecisesdeengenharia dependero da sensibilidade e experincia do artista. Neste caso, entende-se por experincia profissional o fato de terprojetadoumestaqueamentoparaumdeterminadovalordecargaadmissveletertomadoconhecimento posterior do seu comportamento sob ao deste tipo de carga em prova de carga esttica. Se o comportamento foi satisfatriohtendnciaemseconsolidarovaloradotadoeatdeaument-lomedidaqueaexperinciase acumulasemprecombonsresultados.Seocomportamentofoideficienteatendnciacontrria.Aexperincia confere uma medida confiabilidade de um determinado tipo de fundao e um fator subjetivo. (Prof. Nelson Aoki, 2000). 1851.0Introduo Noprojetodeumafundaoprofundaoengenheirodevesepreocuparnoscomaseguranaem relao perda de capacidade de carga, mas, e tambm (embora em menor grau) com a avaliao dos recalquesquepodemocorrersobascargasdetrabalho.Seroestudadosnestecaptuloosmtodos estticosedinmicosutilizadosparaclculoouestimativadacapacidadedecargadeestacase tubules, para o caso de cargas axiais. 2.0Capacidade de Carga de Estacas Em se tratando de capacidade de carga de uma estaca, a primeira coisa a verificar sua capacidade de resistir aos esforos atuantes sem sofrer fissuras ou se romper. sua resistncia estrutural. Neste caso, deacordocomsuasdimensesedomaterialutilizado,cadatipodeestacatemumacapacidadede cargaestrutural.ATabela7.1,extradadolivrodeVellosoeLopes(2002),mostraacapacidade estrutural e tambm a tenso mxima () para estacas prmoldadas de concreto. Tabela 7.1 Capacidade de carga estrutural de estacas prmoldadas de concreto (Velloso e Lopes, 2002). Umavezsatisfeitasuacapacidadeestrutural,umsistemaestaca-solosubmetidoaumacargavertical resistir a essa solicitao parcialmente pela resistncia ao cisalhamento gerada ao longo de seu fuste e parcialmente pelas tenses normais geradas ao nvel de sua ponta. Portanto, podemos definir como capacidadedecargadeumsistemaestaca-solo(Qr)acargaqueprovocaarupturadoconjunto 186formado pelo solo e a estaca. Essa carga de ruptura pode ser avaliada atravs dos mtodos estticos, dinmicos e das provas de carga. Por sua vez, os mtodos estticos se dividem em: i)mtodosracionaisoutericos:utilizamsoluestericasdecapacidadedecargae parmetros do solo; ii)mtodossemi-empricos:sebaseiamemensaiosinsitudepenetrao,comopor exemplo, o SPT e o CPT. Poderiasefalaraindadosmtodosempricos,apartirdosquaissepodetambmestimar, grosseiramente, a capacidade de carga de uma estaca ou tubulo com base apenas na descrio das camadas atravessadas. 2.1 Conceituao Bsica da Capacidade de Carga de Estacas Isoladas Nos mtodos estticos, parte-se do equilbrio entre a carga aplicada mais o peso prprio da estaca ou tubuloearesistnciaoferecidapelosolo,conformemostradonaFigura7.1.Oequilbrioexpresso com a seguinte equao: Qr + W = Qp + Ql (1) em queQr = capacidade de carga total da estaca. W = peso prprio da estaca. Qp = capacidade de carga de ponta (de base). Ql = capacidade de carga do fuste (atrito/adeso lateral). Namaioriaabsolutadoscasos,opesoprpriodesprezvelemvirtudedasuapoucarepresentao emrelaoscargasatuantessobreaestaca,detalformaqueaEquao1podeserreescrita introduzindo-se as resistncias unitrias (qp e ql), da seguinte maneira: + =L0l p p rdz q U q A Q (2) ou + = ll p p rq U q A Q (3) em que Ap = rea da ponta da estaca (base) qp = resistncia de ponta unitria U = permetro da estaca ql = resistncia lateral unitria l = trecho do comprimento da estaca ao qual se refere ql. 187AEquao3deveservirdepremissaparatodososmtodosdecapacidadedecargadeestacase tubules.Evidentemente,otipodeestacaeoperfildoterrenodeterminaroparacadacasoquem prevalecenacapacidadedecargatotal,searesistnciadepontaouoatritolateralouambos.Para efeitosde melhorcompreenso,aFigura7.1 serdenominadaestacaderefernciaoupadro,que de deslocamento, de concreto armado e seo circular, com dimetro B. Figura 7.1 Estaca padro submetida a carga de ruptura de compresso. 2.2 O Conceito de Ruptura Oautordestetrabalhoconsideradesumaimportnciadeixarclarooconceitoderuptura,vistoque, conformelembradoporDcourtetal.(1998),asteoriasdecapacidadedecargasereferemaruptura sem muitas vezes serem discutidas as deformaes necessrias para atingi-la. Asverificaesexperimentaisdecapacidadedecargasointerpretadasemtermosdecurvacarga-recalque,emqueainexistnciadecondiesclarasderupturaquasesemprearegrageral.Da,a necessidadedeseterumadefinioderuptura.DeBeer(1988)apresentaosconceitosderuptura fsica e ruptura convencional, conforme definies que seguem. Ruptura fsica (QUU) : definida como o limite da relao do acrscimo do recalque da ponta da estaca (SB) pelo acrscimo de carga (Q), tendendo ao infinito, ou seja: Q QUU=para QSB(4) 188Dcourt (1996) prope definir a ruptura fsica a partir do conceito de rigidez. Para o autor, a rigidez de uma fundao qualquer (R) expressa a relao entre a carga a ela aplicada e o recalque produzido (s). Portanto, nesta conceituao, a ruptura fsica acontece quando o valor da rigidez se torna nulo, ou seja: QUU = limite de Q quando s .Portanto, 0sQR =(5) Ruptura convencional (QUC): definida quando existe uma carga correspondente a uma deformao da ponta(oudotopo)equivalenteaumpercentualdodimetrodaestaca,sendo10%deB,nocasode estacas de deslocamento e de estacas escavadas em argila, e 30% no caso de estacas escavadas em solos granulares. 2.3 Mtodos de Previso de Capacidade de Carga de Estacas 2.3.1 Frmulas Tericas (Racionais) para Resistncia de Ponta SegundoVellosoeLopes(2002),asprimeirasfrmulastericasforamdesenvolvidasnoinciodo sculo XIX. Sero apresentadas inicialmente as formulaes para resistncia de ponta, que se baseiam naTeoriadaPlasticidadee,emseguida,sodesenvolvidasasteoriasusadasparaclculoda resistncia de atrito lateral. i) Soluo de Terzaghi amesmateoriadesenvolvidaparaacapacidadedecargadefundaessuperficiais.Nestecaso,a rupturadosoloabaixodapontadaestaca,nopodeocorrersemdeslocamentodesoloparabaixoe para cima, conforme mostrado na Figura 7.2. Figura 7.2 Configuraes da ruptura para fundaes profundas: (a) Terzaghi; (b) Meyerhof. SeaolongodocomprimentoLdaestacaosolobemmaiscompressvelqueoexistenteabaixoda base, as tenses cisalhantes (l) provocadas ao longo do fuste pelos deslocamentos so desprezveis. 189Assim,ainflunciadosoloqueenvolveaestasemelhantedeumasobrecarga(q=.L),ea resistncia de ponta ser calculada por uma das frmulas usadas em fundaes superficiais: NBLN cN qq c rup p26 0 2 1 , ,,+ + = (6) para estacas de base circular e dimetro B, ou NBLN cN qq c rup p28 0 2 1 , ,,+ + =(7) para estacas de base quadrada, de lado B. Emargilashomogneas,emcondionodrenada(=0),aresistnciadepontasetorna praticamenteconstanteparavaloresdeL/Dacimade4,podendoseradmitidaiguala9Su,portanto, independentedasdimensesdaestaca,comosugereSkempton(1951).NaTabela7.2so apresentados os valores dos fatores de capacidade de carga Nc, Nq e N, para o caso de ruptura geral, e Nc, Nq e N, para o caso de ruptura localizada. Tabela 7.2 Fatores de capacidade de carga propostos por Bowles (1968). ii) Soluo de Meyerhof anloga soluo de Terzaghi, tendo a seguinte diferena: enquanto na soluo de Terzaghi o solo situado acima do nvel da base da fundao substitudo por uma sobrecarga frouxa L, onde as linhas de ruptura so interrompidas no plano BD, na soluo de Meyerhof essas linhas de ruptura so levadas ao macio situado acima de tal plano, conforme mostrado na Figura 7.2b.Meyerhof (1953) props um procedimento relativamente simples para o clculo da capacidade de carga de estacas, sendo a resistncia de ponta obtida de: NBLN K cN qq s c rup p2+ + =,(8) 190em queKS = coeficiente de empuxo do solo contra o fuste na zona de ruptura prxima ponta e Nc Nq e N = fatores de capacidade de carga, que dependem de e da relao L/B. OsvaloresdeKS,empuxodoterrenocontraofuste,navizinhanadapontadeumaestacacravada situam-seemtornode0,5(areiasfofas)e1,0(areiascompactas),conformeresultadosobtidosde ensaios de laboratrio e de campo (Velloso e Lopes, 2002).No caso de fundaes profundas, o valor da relao L/B muito grande. Por essa razo, despreza-se a ltima parcela da Equao 8, ficando: q s c rup pLN K cN q + =, (9) onde os fatores Nc e Nq so obtidos dos bacos da Figura 7.3, para o caso de estacas de seo circular ou quadrada e para valores comuns de . Capacidade de carga de estacas em solos argilosos: como neste caso, = 0, a Equao 9 reescrita: L S qu rup p + = 5 9,, (10) onde Nc est entre 9 e 10, e de acordo coma Teoria da Plasticidade, Nq = 1 e KS aproximadamente igualunidade.Exige-sequeapontadaestacapenetrenacamadaargilosapelomenos2B.Para penetraesmenores,valordeNcdiminuiquaselinearmenteat2/3doseuvalorquandoabasese apia no topo da camada argilosa. Figura 7.3 Fatores de capacidade de carga propostos por Meyerhof (1953). 191Capacidade de carga de estacas em solos granulares: como neste caso, c = 0, a Equao 9 fica: q s rup pLN K q =,(11) necessrioqueapontadaestacapenetrepelomenos2Bnacamadadebase.Parapenetraes menoresque2B,seroutilizadososvaloresdeNq eNquecorrespondampenetraoreal, introduzindo-os na Equao 8, com c = 0. Capacidadedecargadeestacasemsolosestratificados:paraumaestacainstaladaemperfildesolo estratificado,pode-seconsiderararesistnciaporatritolateraltotalcomosendoasomadas resistnciasindividuaisdecadacamadaatravessada.Jaresistnciadeponta,inevitavelmente, determinada pela camada na qual est fincada a ponta da estaca, conforme as Equaes 10 e 11. iii) Soluo de Berezantzev A soluo de Berezantzev contempla a capacidade de ponta de estacas em solos arenosos. De acordo com essa soluo, a parcela correspondente dimenso da estaca (B) no desprezada, obtendo-se a seguinte expresso: L B B A qT k k rup p + =,(12) em que os valores do coeficiente T so obtidos da relao L/B e do ngulo , conforme mostrado na Tabela 7.3. Os valores de AK e BK so tambm funes de , sendo obtidos das curvas da Figura 7.4.De acordo com essa formulao, a tenso horizontal contra o fuste da estaca cravada no cresce linear e indefinidamente com a profundidade, contrrio ao que intuitivamente se poderia pensar. Tabela 7.3 Valores de T para aplicao do mtodo de Berezantzev et al (1961), citados por Velloso e Lopes (2002). 192 Figura 7.4 Fatores de capacidade de carga propostos por Berezantzev et al. (1961). iv) Soluo de Vsic Nasformulaesdassoluesclssicas,aresistnciadepontadeumaestacafunoapenasda resistncia do solo. Cabe ressaltar, todavia, que a rigidez do solo desempenha um papel fundamental, visto que o mecanismo de ruptura funo dessa rigidez. Da, a introduo de solues baseadas na teoria de expanso de cavidades em um meio elasto-plstico, conforme esquematizado na Figura 7.5. NapropostadeVsic(1972),aresistnciadepontadeumafundaoprofundapodeserobtidada seguinte equao: N cN qc rup p 0 ,+ =(13) em que vooK 32 1 += (13A) K0 = coeficiente de empuxo no estado de repouso. v = tenso vertical efetiva no nvel da ponta da estaca. Nc, N = fatores de capacidade de carga (Tabela 7.4), relacionados pela expresso: ( ) cot 1 = N Nc(13B) 193ParaentradanaTabela7.4,necessrio,almdongulo,dondicedeRigidez(Ir),quepodeser calculado com a seguinte equao: ( )( ) tg cGtg cEIr 1 2 +=+ += (13C) Nc so os valores superiores, enquanto N so os nmeros inferiores em cada linha corresponde a cada valor de mostrados na Tabela 7.4. DaEquao13seobservaqueVsicexpressaaresistnciadepontaemfunodatensonormal mdia (v) atuando no nvel da ponta da estaca. Figura 7.5 (a) Analogia entre a ruptura de ponta de uma estaca e a expanso de uma cavidade esfrica; (b) mecanismo de expanso de uma cavidade esfrica (Velloso e Lopes, 2002, apud Vsic, 1972). </p> <p> Tabela 7.4 Fatores de capacidade de carga Nc e N propostos por Vsic. 1942.3.2 Frmulas Tericas (Racionais) para a Resistncia de Atrito Lateral A segunda parcela da capacidade de carga de uma estaca a resistncia de atrito lateral, conforme foi mostrado nas Equaes 2 e 3. O tratamento terico aplicado ao atrito l...</p>