Importância da Investigação do Subsolo para Estruturas de Fundações

1 1 Investigação do subsolo João Crisóstomo dos Santos Neto Introdução Neste primeiro capítulo iremos falar sobre a importância da investigação do subsolo para as Estruturas de Fundações e os métodos de investigação geotécnica existentes destacando aqueles que são os mais utilizados Para a elaboração de um projeto de fundação é fundamental que o projetista responsável tenha um amplo conhecimento do solo no qual irá projetar uma edificação Na grande maioria dos casos a investigação do subsolo é realizada através de sondagens de simples reconhecimento a percursão SPT mas dependendo do tipo e do porte da obra pode ser necessário a utilização de outros métodos como a sondagem rotativa por exemplo Independentemente do tipo de obra seja ela de grande ou pequeno porte residencial ou comercial é imprescindível a realização de ensaios de sondagem Porém é comum observarmos que na grande maioria dos projetos de pequenas dimensões que nenhum tipo de investigação seja realizada Nesses casos é realizada apenas uma avaliação visual do solo o que não é recomendado O conhecimento das características físicas do solo é importante não só para garantir segurança à edificação Ela também será fundamental para auxiliar e dar suporte ao projetista na escolha do melhor tipo de fundação a ser utilizada no projeto desenvolvido trazendo assim economia para a obra uma vez que é comum o superdimensionamento de projetos de fundações em casos onde não há necessidade De acordo com alguns estudos realizados estimase que cerca de 02 a 05 do valor do custo total da obra é destinado para esta fase do projeto Como pode ser observado o investimento que se faz com esse tipo de serviço é razoavelmente baixo dada a sua importância e não compromete o valor total do custo da obra Além disso é essa análise que dará ao projetista a segurança necessária para a elaboração de um projeto que garanta a estabilidade da edificação projetada e principalmente a integridade de todos os seus ocupantes Objetivos Após a leitura dos conteúdos apresentados nesse capítulo espero que você seja capaz de Reconhecer a importância da realização das investigações geotécnicas Identificar os principais tipos de prospecções superficiais Compreender a real necessidade da utilização de sondagens do solo para a escolha do tipo de fundação Verificar as recomendações das conforme normas técnicas para a realização das sondagens 2 Esquema 11 Investigação Geotécnica 12 Prospecções Superficiais 13 Planejamento para Investigação do Solo 14 Sondagens 141 Quantidade e Locação das Sondagens 142 Profundidade das Sondagens 15 Sondagem de Simples Reconhecimento a Percursão SPT 151 Resistência do Solo SPT 16 Sondagem de Penetração Estática CPT 17 Sondagem Rotativa 18 Conclusão 11 Investigação Geotécnica De acordo com o item 4 da NBR 6122 Projeto e Execução de Fundações 2010 as investigações de terrenos constituídos por solo rocha mistura de ambos ou rejeitos para fins de projeto e execução de fundações compreendem a Investigação de campo Sondagens a trado Poços e trincheiras Sondagens de simples reconhecimento à percursão Sondagens rotativas Realização de provas de carga Ensaios em geral b Investigação em laboratório Caracterização Resistência Deformabilidade Permeabilidade Colapsibilidade Expansabilidade 12 Prospecções Superficiais A prospecção superficial tem como objetivo a avaliação preliminar do solo a pequenas profundidades auxiliando na escolha dos métodos e processos das demais fases de investigação Esse tipo de investigação é utilizada em fundações rasas ou de pequenas cargas e os tipos mais usados são 3 a Abertura de poços ou trincheiras permite a análise direta táctilvisual das camadas do solo b Prova de carga é utilizada para fins de fundações por sapatas rasas conforme NBR 6489 Prova de carga direta sobre o terreno de fundação 1984 c Sondagens a trado tem como finalidade a coleta de amostras deformadas e deve ser realizada conforme NBR 9603 Sondagem a Trado 1986 13 Planejamento para Investigação do Solo Para a construção de uma edificação são necessárias a realização de diversas etapas ao longo de todo o projeto Para que cada uma dessas etapas atinja o nível de qualidade desejada e atenda ao prazo estipulado para a sua realização é necessário que exista um planejamento das atividades a serem desenvolvidas E na etapa de investigação do solo não é diferente Segundo Das 2007 a investigação do solo de uma determinada estrutura é dividida em quatro fases a compilação das informações existentes relacionadas à estrutura nessa fase são consideradas as informações da estrutura a ser construída bem como sobre a sua utilização futura b coleta de informações existentes para as condições do subsolo nessa fase são obtidas informações já existentes do local através de mapas geológicos manuais de solos emitidos pelos departamentos rodoviários e relatórios de exploração do solo utilizados em estruturas próximas É importante ressaltar que esse tipo de levantamento poderá proporcionar redução de custos consideráveis na programação de investigação c reconhecimento do local de construção proposto durante essa fase o engenheiro deve realizar uma inspeção visual do terreno bem como da área circunvizinha observando informações como o tipo de vegetação do local acessibilidade do local natureza da drenagem rachaduras de estruturas vizinhas dentre outras informações pertinentes d investigação detalhada do local essa fase referese à realização da exploração do solo através de sondagens realizadas no local É comum imaginar que a etapa de investigação do solo iniciase diretamente com realização das sondagens Veja que essa etapa do projeto é iniciada bem antes com a análise da estrutura a ser projetada e do local em que ela será localizada 14 Sondagens Como já foi falado anteriormente é fundamental que no início de qualquer tipo de obra seja feita a realização da investigação do solo no intuito de obter o conhecimento necessário sobre as características físicas de uma determinada área Para isso são utilizadas as sondagens do solo 4 As sondagens são realizadas com o objetivo de determinar quais são as condições naturais do solo De acordo com Rebello 2008 através desse procedimento é possível determinar o tipo do solo as características físicas e sobretudo a sua resistência Além disso a sondagem permite a determinação do nível do lençol freático 141 Quantidade e Locação das Sondagens Para a determinação da locação e a quantidade de furos de sondagem que devem ser realizados em um terreno deve ser considerada a NBR 8036 Programação de Sondagens de Simples Reconhecimento dos Solos para Fundação de Edifícios 1983 De acordo com a norma citada a quantidade de sondagens deve ser no mínimo de uma para cada 200 m² de área da projeção em planta para até 1200 m² de área Para áreas cuja dimensão varie de 1200 m² a 2400 m² é necessário realizar uma sondagem para cada 400 m² que excederem 1200 m² Para terrenos de dimensões superiores a 2400 m² a quantidade de sondagens deverá seguir um plano particular da construção Para quaisquer uma das circunstâncias acima citadas o número mínimo de sondagens a serem realizadas deve ser a duas para área de projeção de até 200 m² b três para área entre 200 m² e 400 m² Em algumas situações como na fase de escolha de terreno por exemplo a disposição em planta da edificação poderá não estar finalizada Nesses casos a NBR 8036 estabelece que a distância das sondagens deverá ser no máximo de 100 m sendo três o número mínimo a serem realizadas A norma ainda estabelece que as sondagens devem ser localizadas em planta e apresenta também alguns critérios referentes à locação das mesmas a na fase preliminar e de planejamento as sondagens devem ser dispostas igualmente em toda a área já na fase de projetos as locações das sondagens podem seguir critérios específicos que levem em conta pormenores estruturais b em casos em que a quantidade de sondagens necessárias for maior que três elas não devem ser dispostas ao longo de um mesmo alinhamento Exemplificando 1 Considerando uma residência térrea com uma área de edificação projetada em planta de 10 por 30 m determine de acordo com a NBR 8036 a quantidade mínima de sondagens a serem realizadas Com base nos dados fornecidos verificase que a área de projeção em planta da residência é de 300 m² Assim considerando o item 4112 a da NBR 8036 deverão ser realizadas no mínimo 3 três sondagens 5 2 Considerando um edifício residencial de 12 pavimentos com uma área de edificação projetada em planta de 40 por 50 m determine de acordo com a NBR 8036 a quantidade mínima de sondagens a serem realizadas Com base nos dados fornecidos verificase que a área de projeção em planta do edifício é de 2000 m² Assim considerando o item 4112 da NBR 8036 deverão ser realizadas no mínimo 8 oito sondagens 142 Profundidade das Sondagens Com relação à profundidade das sondagens a NBR 8036 estabelece que ela deve ser determinada em função do tipo do edifício das características da estrutura das dimensões em planta da forma da área carregada e das condições geotécnicas e topográficas do local do terreno A norma diz ainda que as sondagens devem ser realizadas até a profundidade na qual o solo não seja mais solicitado pelas cargas provenientes da estrutura determinando como critério a profundidade onde o acréscimo de pressão no solo em função das cargas estruturas a ele aplicado seja menor do que 10 da pressão geostática Existem casos em que a edificação pode apresentar uma planta composta por vários corpos Nessa situação a NBR 8036 estabelece que todos os critérios da norma se aplica a cada corpo da edificação A referida norma apresenta alguns critérios específicos em que a sondagem poderá ser interrompida antes de atingir a profundidade determinada a Quando a sondagem atingir uma camada do solo de compacidade ou consistência elevada e as condições geológicas do local mostrarem não haver outras possibilidades de se chegar a outras camadas b Quando a sondagem atingir a rocha ou camada impenetrável à percursão subjacente a solo adequado ao suporte da fundação De acordo com o item 4125 da norma em casos de corpos de fundações isolados e muito espaçados entre si a profundidade da exploração deve ser determinada a partir da consideração simultânea da menor dimensão dos corpos de fundação da profundidade dos seus elementos e da pressão estimada por eles transmitida Para auxiliar na estimativa da profundidade das sondagens a serem realizadas a NBR indica a utilização do gráfico a seguir Figura 01 6 Figura 1 Gráfico para estimativa da profundidade Fonte ABNT NBR 8036 1983 Onde q pressão média sobre o terreno peso específico dividido pela área em planta Ƴ peso específico médio estimado para os solos ao longo da profundidade em questão M coeficiente decorrente do critério definido no item 4122 da NBR 8036 B menor dimensão do retângulo circunscrito à planta de edificação L maior dimensão do retângulo circunscrito à planta de edificação D profundidade da sondagem 7 Exemplificando Considere um edifício residencial de 8 pavimentos com as seguintes características área da edificação projetada em planta 10 por 30 m carga distribuída sobre o terreno 120 kNm² peso específico médio estimado para o solo 18 kNm² Determine de acordo com a NBR 8036 a quantidade mínima e a profundidade das sondagens a serem realizadas Com base nos dados fornecidos verificase que a área de projeção em planta do edifício é de 300 m² Assim considerando o item 4112 da NBR 8036 deverão ser realizadas no mínimo 3 três sondagens Para a determinação da dimensão das sondagens devese utilizar o gráfico para estimativa da profundidade Figura 01 Para isso devemos identificar as coordenadas nos eixos x e y eixo y q ƳMB 120 18 01 10 667 eixo x L B 30 10 3 Analisando o gráfico para estimativa de profundidade com os resultados acima encontrados temos que D B D 10 18 portanto D 18 Com base nos dados fornecidos verificase que a profundidade das sondagens deverá ser de 18 metros atendendo ao item 412 da NBR 8036 15 Sondagem de Simples Reconhecimento a Percurssão SPT O ensaio SPT Standard Penetration Test também conhecido como Sondagem de Simples Reconhecimento a Percussão é a mais tradicional forma de reconhecimento do solo e o método mais utilizado dentre os existentes devido a sua simplicidade e facilidade na aplicação dos resultados Em 2001 a sondagem SPT foi regulamentada no Brasil pela ABNT através da NBR 6484 Solo Sondagens de simples reconhecimento com SPT Método de ensaio 8 De acordo com a referida norma o método de execução de sondagens de simples reconhecimento SPT tem como finalidade a a determinação do tipo de solo em suas respectivas profundidades b a determinação da posição do nível dágua c a determinação dos índices de resistência à penetração a cada metro A sondagem SPT Figura 02 é realizada através de um equipamento composto por um tripé do qual se deixa cair de uma altura padrão de 75 cm um martelo de ferro com peso de 65 Kg de forma cilíndrica ou prismática Esse peso faz penetrar no solo um tubo de aço amostrador padrão com diâmetro externo de 508 mm e diâmetro interno de 349 mm REBELLO 2008 Figura 2 Sondagem SPT Fonte Autor 2017 De acordo com Cintra e Aoki 2008 a sondagem de simples reconhecimento SPT é executada em três fases que são repetidas a cada metro de profundidade As três etapas são 9 1 Perfuração esta etapa consiste na abertura de um furo A NBR 6484 recomenda que a abertura seja iniciada com um trado concha para o primeiro metro e para as demais profundidades é indicado a utilização de um trado helicoidal 2 Penetração esta fase é a responsável pela determinação do índice de resistência à penetração do solo NSPT através da execução do ensaio conforme NBR 6484 3 Amostragem nesta etapa é realizada a retirada do amostrador e posteriormente são identificados o tipo e as camadas de solo A cada metro perfurado deve ser realizado o ensaio de penetração dinâmica conforme o item 43 da NBR 6484 No ensaio deve ser anotado o número de golpes necessários para fazer com que o amostrador padrão penetre o solo numa profundidade de 45 cm divididos em segmentos de 15 cm como pode ser observado através da Figura 03 Figura 3 Penetração dinâmica SPT Fonte Autor 2017 Para cada metro perfurado são coletadas amostras deformadas do subsolo através do amostrador Estas amostras são acondicionadas em sacos plásticos com identificação para posteriormente serem classificadas e identificadas táctilvisualmente segundo os termos prescritos nas normas NBR 6502 Rochas e Solos 1995 e NBR 7250 Identificação e Descrição de Amostras de Solos Obtidas em Sondagens de Simples Reconhecimento dos Solos 1982 Estas amostras deverão ficar arquivadas por 30 dias após a data do ensaio a disposição do cliente e posteriormente poderão ser descartadas 10 De acordo com a NBR 6484 existem algumas situações em que a sondagem poderá ser paralisada a Quando em 3 metros seguidos forem necessários 30 golpes para a penetração do amostrador dos 15 cm iniciais b Quando em 4 metros seguidos forem necessários 50 golpes para a penetração do amostrador dos 30 cm iniciais c Quando em 5 metros seguidos forem necessários 50 golpes para a penetração do amostrador dos 45 cm iniciais 151 Resistência do Solo SPT O índice de resistência à penetração NSPT é a soma do número de golpes necessários para a penetração dos últimos 30 cm do amostrador padrão no solo Como pode ser observado na Figura 03 os 15 cm iniciais são desconsiderados para a determinação do NSPT Este índice nos permite determinar parâmetros e propriedades como a compacidade ou consistência do solo analisado através da Tabela 01 a seguir Tabela 01 Classificação do Solo Fonte ABNT NBR 7250 1982 Segundo Rebello 2008 existem diversas relações que leva em conta a tensão admissível do solo σADM e o número de golpes necessários para cravar os últimos 30 cm NSPT A fórmula abaixo apesar de não levar em conta o tipo do solo pode ser utilizada para relacionar de forma rápida os valores encontrados no ensaio SPT σADM NSPT 1 kgfcm² 11 Existe um estudo elaborada por Chiossi 1987 em que é possível a determinação da resistência do solo através do número de golpes da sondagem SPT Tabela 02 Diferentemente da fórmula acima o tipo de solo é considerado Nos casos em que o número de golpes for um valor que esteja entre os citados na tabela esses valores deverão ser interpolados para encontrar a resistência do solo correspondente Tabela 02 Resistência do Solo SPT Fonte Chiossi 1987 É importante ressaltar que os valores encontrados através da fórmula e da tabela são genéricos e imprecisos podendo ser utilizados para uma análise preliminar Além disso é importante destacar que se os resultados obtidos através da tabela e da fórmula forem diferentes como no exemplo acima devemos considerar em favor da segurança o de menor valor Exemplificando Considerando a sondagem a seguir determine a resistência do solo a 4 metros de profundidade Para isso utilize a fórmula e tabela apresentadas Figura 4 Resultado de sondagem Fonte Autor 2017 12 Para uma profundidade de 4 metros temos N 8 1 Pela fórmula temse σADM N 1 σADM 8 1 σADM 18 kgcm² 2 Pela tabela temse Para argila 4 a 8 golpes 10 a 20 Kgcm² Com isso teremos que σADM 20 kgcm² 16 Sondagem de Penetração Estática Este tipo de sondagem foi desenvolvido na década de 30 na Holanda e também é conhecida como Sondagem do Cone Holandês ou Cone Penetration Test CPT O equipamento para a realização desse tipo de ensaio possui hastes emendáveis que possuem em sua ponta um cone com um ângulo de 60º e uma área de 10 cm² OLIVEIRA BRITO1998 Segundo Rebello 2008 a penetração do cone é realizada continuamente a uma velocidade de 1 cms e o esforço requisito para proceder com a penetração do cone no solo é registrado durante todo o processo Nesse ensaio é possível determinar a resistência de ponta qc e também o atrito lateral Uma das vantagens desse tipo de sondagem em relação a sondagem SPT é que nesse método os resultados são registrados durante todo o procedimento ou seja por toda a profundidade enquanto no segundo método a análise é considerada em apenas 30 cm por metro Para a utilização da fórmula e tabela apresentadas anteriormente na determinação da resistência do solo é necessário estabelecer uma relação entre os resultados dos ensaios CTP e SPT Para isso devemos utilizar a equação abaixo que determina o Nspt com base na resistência de ponta qc que deverá ser expresso em Mpa N qc K A tabela a seguir Tabela 03 apresenta os valores para K de acordo com o tipo de solo que será analisado 13 Tabela 03 Coeficiente K Sondagem CPT TIPO DE SOLO K AREIA 060 AREIA SILTOSA AREIA ARGILOSA AREIA ARGILOSILTOSA 060 SILTE SILTE ARENOSO ARGILA ARENOSA 060 SILTE ARENOARGILOSO ARGILA SILTOARENOSA 038 SILTE ARGILOSO 030 ARGILA ARGILA SILTOSA 025 Fonte Rebello 2008 Exemplificando Considerando uma sondagem cujo qc seja igual a 2Mpa e o solo silte argiloso determine o valor de NSTP N qc K N 2 03 N 7 17 Sondagem Rotativa Em alguns casos é necessário a realização de sondagens em solos rochosos ou em terrenos em que a sondagem de simples reconhecimento à percursão não conseguiu penetrar o solo Nesse tipo de situação é utilizado a sondagem rotativa para a coleta de amostras De acordo com a Companhia Catarinense de Águas e Saneamento CASAN 1997 p 28 a sondagem rotativa pode ser definida como um método de investigação que consiste no uso de um conjunto motomecanizado projetado para a obtenção de amostras de materiais rochosos contínuas e com formato cilíndrico através da ação perfurante dada basicamente por forças de penetração e rotação que conjugadas atuam com poder cortante A sondagem rotativa também pode ser caracteriza como um tipo de investigação geotécnica realizada com um tubo barrilete que possui uma peça cortante feita com material que possui alta dureza coroa em sua extremidade que penetra o terreno por meio de um movimento de rotação Segundo Oliveira e Brito 1998 o equipamento utilizado para a realização da sondagem rotativa consta de uma sonda motorizada bomba de água hastes barriletes e coroas sendo que estes dois últimos podem ter dimensões variadas para permitir a execução das perfurações A série de diâmetros padronizados são denominados com as letras EW AW BW NW e HW sendo que os diâmetros mais utilizados são o NW e HW Tabela 04 14 Tabela 04 Diâmetro mais comuns de furos e testemunhos DENOMINAÇÃO DIÂMETRO DO FURO mm DIÂMETRO DO TESTEMUNHO mm EW 3771 2146 AW 4800 3010 BW 5994 4204 NW 7569 5473 HW 9923 7620 Fonte Oliveira e Brito 1998 Na maioria dos casos em que há a necessidade da utilização da sondagem rotativa ela é combinada com a sondagem do tipo SPT Com a combinação desses dois tipos de métodos a sondagem passa a ser definida como mista Essa situação ocorre quando se utiliza a sondagem SPT até uma determinada profundidade em que o amostrador não consegue mais penetrar o solo e a partir daí é dada continuidade à perfuração através da sondagem rotativa É importante ressaltar que para a penetração do amostrador em solos rochosos e consolidados através da sondagem rotativa é necessário que o amostrador seja constituído de uma coroa de material robusto como diamante por exemplo Nas sondagens rotativas é recomendado que o amostrador penetro o solo por pelo menos 4 metros de profundidade para ter a segurança de que não está atravessando um simples matacão REBELLO 2008 18 Conclusão Como você pode observar durante a leitura deste capítulo foram apresentados os procedimentos mais usuais para a investigação do solo assim como as formas de interpretação dos resultados encontrados nesses procedimentos para a avaliação da capacidade de resistência do solo Nos próximos capítulos você irá compreender que esta fase inicial é importantíssima para o projeto das estruturas de fundações Através de investigações geotécnicas bem realizadas você terá as condições necessárias para definir qual o melhor tipo de fundação a ser utilizada em um determinado projeto 15 Resumo Neste primeiro capítulo iniciamos o nosso estudo referente às Estruturas de Fundações dando destaque aos tipos de investigações geotécnicas que podem ser realizadas em campo ou em laboratório aos métodos mais usados de prospecção superficial que são utilizados para uma análise preliminar do solo às fases do planejamento para a investigação do solo a informações importantes sobre sondagens como quantidade locação e profundidade das mesmas a sondagem de simples reconhecimento a percursão SPT que é o procedimento mais utilizado nas investigações a sondagem de penetração estática também conhecida como sondagem do cone holandês CPT a sondagem rotativa que é utilizada nos casos em que há a necessidade de penetração em solos rochosos Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 6122 Projeto e Execução de Fundações Rio de Janeiro 1996 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 6489 Prova de carga direta sobre o terreno de fundação Rio de Janeiro 1984 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 9603 Sondagem a Trado Rio de Janeiro 1986 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 8036 Programação de Sondagens de Simples Reconhecimento dos Solos para Fundação de Edifícios Rio de Janeiro 1983 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 6484 Solo Sondagens de simples reconhecimento com SPT Método de ensaio Rio de Janeiro 2001 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 6502 Rochas e Solos Rio de Janeiro 1995 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 7250 Identificação e descrição de amostras de solos obtidas em sondagens de simples reconhecimento dos solos Rio de Janeiro 1982 COMPANHIA CATARINENSE E ÁGUAS E SANEAMENTO Manual de Execução de Sondagens Florianópolis 1997 CHIOSSI Nivaldo Geologia Aplicada à Engenharia 4 ed São Paulo Grêmio Politécnico 1987 239 p 16 CINTRA José AOKI Nelson Fundações por estaca projeto geotécnico São Paulo Oficina de Textos 2010 96 p DAS Braja Fundamentos de Engenharia Geotécnica 6 ed São Paulo Thonsom 2007 561 p OLIVEIRA Antônio Brito Sérgio Geologia de Engenharia São Paulo ABGE 1998 586 p REBELLO Yopanan Fundações guia prático de projeto execução e dimensionamento São Paulo Zigurate 2008 240 p