Fundações CP 03 - Investigação do Subsolo e Capacidade de Carga de Fundações Rasas

FUNDAÇÕES CP 03 Investigação do subsolo e capacidade de carga de fundações rasas 2 INTRODUÇÃO Solos não saturados são solos acima do nível da água quando inundados por chuvas intensas vazamento de tubulações etc podem exibir um recalque abrupto e significativo solos colapsíveis Quanto mais seco maior a capacidade de carga Quanto mais úmido menor a capacidade de carga Solo saturado capacidade de carga mínima 3 INTRODUÇÃO Solos saturados Nesses solos principalmente em argilas moles os parâmetros de resistência coesão e ângulo de atrito são dependentes das condições de drenagem variando do não drenado carregamento rápido ou segurança a curto prazo ao drenado carregamento lento ou segurança a longo prazo Em termos de capacidade de carga geralmente predomina como crítica a condição não drenada pois a capacidade de carga tem a tendência de aumentar com a dissipação das poropressões 4 INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO O primeiro passo é a definição de um programa que irá definir as etapas da investigação e os objetivos a serem alcançados As etapas são a investigação preliminar b investigação complementar ou de projeto c investigação para a fase de execução 5 1 Investigação preliminar objetivase conhecer as principais características do subsolo Nesta fase em geral são executadas apenas sondagens a percussão salvo nos casos em que se sabe a priori da ocorrência de blocos de rocha que precisam ser ultrapassados na investigação quando então solicitamse sondagens mistas 6 2 Investigação complementar ou de projeto Procurase esclarecer as feições relevantes do subsolo e caracterizar as propriedades dos solos mais importantes do ponto de vista do comportamento das fundações Nesta etapa são realizados alguns ensaios in situ além do ensaio de penetração dinâmica SPT que é executado nas sondagens a percussão podem ser realizados ensaios de cone CPT de placa etc 7 3 investigação para a fase de execução Visa confirmar as condições de projeto em áreas criticas da obra assim consideradas pela responsabilidade das fundações exemplo típico pilares de pontes ou pela grande variação dos solos na obra 8 Processos de investigação do subsolo Os principais processos de investigação do subsolo para fins de projeto de fundações de estruturas são a Poços e Sondagens a trado b Sondagens a percussão com SPT c Sondagens rotativas e mistas d Ensaio de cone CPT 9 a Poços e sondagens a trado São escavações manuais geralmente não escoradas que avançam até que se encontre o nível dagua ou ate onde for estável Permitem um exame do solo nas paredes e no fundo da escavação e a retirada de amostras indeformadas Esse tipo de investigação está normalizado pela NBR 9604 poços e NBR 9603 trado 10 b Sondagens a percussão com SPT As sondagens a percussão são perfurações capazes de ultrapassar o nível dagua e atravessar solos relativamente compactos ou duros porém não ultrapassam matacões e blocos de rocha 0 ensaio de penetração dinâmica SPT normalizado pela NBR 6484 é realizado a cada metro através da cravação de um amostrador por meio de golpes de um peso de 65 kgf caindo de 75 cm de altura Anotase o número de golpes necessários para cravar os 45 cm do amostrador em 3 conjuntos de golpes para cada 15 cm 0 resultado do ensaio SPT é o número de golpes necessário para cravar os 30 cm finais 11 Relatório de sondagens a percussão com SPT 12 Relatório de sondagens a percussão com SPT 13 c Sondagens rotativas e mistas Utilizados quando da ocorrência de elementos de rocha que precisem ser ultrapassados no processo de investigação caso de matacões ou blocos ou que precisem ser caracterizados As sondagens mistas são uma combinação de um equipamento de sondagem rotativa com um equipamento de sondagem a percussão Relatório de sondagens mista SONDAGEM SMC7 Cota 120m Cota em relação ao RN Amostra Profundidade da camada m PERCUSSÃO Penetração golpes30cm 1º e 2º penetrações 2º e 3º penetrações Nº de golpes Gráfico Revestimento HX Amostrodor Interno 349 mm externo 508 mm Peso 65 kg Altura de queda 75 cm Nível dágua da coroa 0 020 12 17 Solo Superficial Silte argiloso com areia fino e médio e pedregulhos amarelo medianamente compacto 290 14 10 Silte argiloso micáceo variegado fôfo a pouco compacto 3 4 Silte arenoso micáceo variegado compacto a medianamente compacta 4 6 muito compacto 500 18 26 SOLO RESIDUAL 10 12 725 780 850 4519 RQD 75 6 Gnaisse migmatítico medianamente fraturado pouco alterado a são RQD 100 2 Gnaisse migmatítico pouco fraturado são RQD 100 1 Relatório de sondagens mista Pegmatito pouco fraturado são Limite da sondagem Profundidade do nível dágua Inicial 225 m 191277 FINAL 225 m 151277 80 60 40 20 RECUPERAÇÃO FRAGMENTOS sm N RECUPERAÇÃO NULA E ROTATIVA PERFIL INDIVIDUAL DE SONDAGEM MISTA 16 d Ensaio de cone CPT Consiste basicamente na cravação a velocidade lenta e constante dita estática ou quase estática de uma haste com ponta cônica medindose a resistência encontrada da ponta e a resistência por atrito lateral 17 d Ensaio de cone CPT A figura mostra um resultado típico desse ensaio No primeiro gráfico é apresentado um perfil de resistência de ponta e de atrito lateral local 0 segundo gráfico apresenta a razão entre o atrito lateral local e a resistência de ponta que dá uma indicação do tipo de solo atravessado 18 Relação entre o CPT e o SPT 0 ensaio de cone CPT pode ser relacionado ao ensaio de penetração dinâmica SPT por meio de q k N 19 Relação entre o CPT e o SPT 0 ensaio de cone CPT pode ser relacionado ao ensaio de penetração dinâmica SPT por meio de q kN valores de k em função da granulometria do solo 20 CARREGAMENTOS APLICADOS SOBRE SOLOS Para pequenos valores da carga os recalques serão aproximadamente proporcionais É a chamada fase elástica Em uma segunda fase surgem deslocamentos plásticos inicialmente junto as bordas da fundação Em uma terceira fase a velocidade de recalque cresce continuamente ate que ocorre a ruptura do solo MECANISMOS DE RUPTURA DO SOLO Ruptura Generalizada ou Geral Ruptura brusca Pouco recalque Solos mais rígidos Argilas rija muito rija e dura Areias compacta e muito compacta Ruptura Localizada ou Local Ruptura menos brusca Maior recalque Solos mais deformáveis Argilas muito mole mole e média Areia fofa pouco compacta e medianamente compacta 22 CAPACIDADE DE CARGA DE SOLOS PARA CARREGAMENTOS VERTICAIS De acordo com a NBR 61222010 Projeto e Execução de Fundações ítem 73 a tensão admissível ou tensão resistente pode ser estimada a partir da utilização ou interpretação de um ou mais dos procedimentos descritos a seguir 1 Métodos teóricos ou analíticos 2 Métodos Semiempírico 3 Prova de carga 23 1 Métodos teóricos ü Consistem na aplicação de uma fórmula de capacidade de carga para estimativa da tensão de ruptura do solo de apoio 𝜎 à qual se aplicaria um coeficiente de segurança 𝐹𝑆 para obtenção da tensào admissível 𝜎 σ σ FS Coeficiente de segurança global FS seria variável de acordo com o problema mas em geral não inferior a 3 e a carga na fundação seria com seu valor característico Coeficiente de segurança parcial FS seria variável de acordo com o problema mas em geral não inferior a 215 A carga da fundação seria com seu valor de projeto Valor projeto Valor característico 14 24 11 Fórmula de Tersaghi Se o solo apresenta ruptura geral a tensão de ruptura 𝜎 do mesmo pose ser obtida por c coesão do solo para solos com ruptura local c 2 3 da coesão real 𝛾 peso especifico do solo onde se apoia a fundação superficial 𝐵 menor largura da fundação superficial q pressão efetiva do solo na cota de apoio da fundação 𝑁 𝑁 𝑁 fatores de carga funções de ângulo de atrito interno 𝜑 S S S fatores de forma 25 Valores dos fatores de carga 𝑁 𝑁 e 𝑁 Para solos com ruptura local usese a formula de Tersaghi adotando os fatores 𝑁 𝑁 e 𝑁 linhas tracejadas 26 Valores dos fatores de carga 𝑁 𝑁 e 𝑁 Tabela com valores dos fatores de carga em função do ângulo de atrito φ 27 Valores dos fatores de forma S S e S Tabela com valores dos fatores de forma em função do ângulo do tipo de seção da fundação 28 Quando não se dispõem de ensaios de laboratório em que constem c e 𝜑 podemse em primeira aproximação estimar esses valores por meio das tabelas abaixo Solos puramente coesivos 𝜑 0 capacidade de carga independe da dimensão da sapata Solos não coesivos c0 capacidade de carga depende diretamente das dimensões da fundação mas a profundidade é mais importante que o tamanho da fundação 𝜑 35 29 Exemplo de aplicação da fórmula de Tersaghi Determinar o diâmetro da sapata circular abaixo usando a teoria de Terzaghi com FS3 Desprezar o peso próprio da sapata 𝜎 c 𝑁 𝑆 05 𝛾 𝐵 𝑁 𝑆 q 𝑁 𝑆 𝑞 5 ℎ 𝛾 175𝑘𝑁 𝑚 12m 21kN m 𝑆 13 𝑆 06 𝑆 10 𝑁 2518 𝑁 1014 𝑁 1275 𝜎 05 175𝑘𝑁 𝑚 𝐷 1014 06 21kN m 1275 10 𝜎 5324𝑘𝑁 𝑚 𝐷 26775kNm² A menor largura B da fundação neste caso é igual ao diâmentro da sapata 𝐷 𝜎 𝜎 𝐹𝑆 𝜎 𝜎 𝐹𝑆 30 Exemplo de aplicação da fórmula de Tersaghi 𝐷 235𝑚 𝜎 53235𝑘𝑁 𝑚 235𝑚 26775kN m 39125kNm 𝜎 𝐹𝑆 53235𝑘𝑁 𝑚 𝐷 26775kNm² 4𝑃 𝜋𝐷² 𝐹𝑆 53235𝑘𝑁 𝑚 𝐷 26775kNm² 4𝑃 𝜋 𝐹𝑆 53235𝑘𝑁 𝑚 𝐷 26775kN m 𝐷 0 210085𝑘𝑁 53235𝑘𝑁 𝑚 𝐷 26775kN m 𝐷 0 𝜎 𝑃 𝐴 𝑃 𝜋𝐷² 4 𝜎 4𝑃 𝜋𝐷² 4𝑃 𝜋 𝐹𝑆 53235𝑘𝑁 𝑚 𝐷 26775kNm²𝐷² 𝜎 39125kNm 30 𝜎 1304kNm 𝜑 40 31 Exercício de aplicação da fórmula de Tersaghi Determinar o diâmetro da sapata circular abaixo usando a teoria de Terzaghi com FS3 Desprezar o peso próprio da sapata Considere que a ruptura seja geral para este solo 𝑞 L ℎ 𝛾 175𝑘𝑁 𝑚 12m 21kN m 𝑆 13 𝑆 06 𝑆 10 𝑁 9566 𝑁 10039 𝑁 8127 𝜎 05 175𝑘𝑁 𝑚 𝐷 10039 06 21kN m 8127 10 𝜎 527𝑘𝑁 𝑚 𝐷 1706kNm² A menor largura B da fundação neste caso é igual ao diâmentro da sapata 𝐷 𝜎 𝜎 𝐹𝑆 𝜎 𝜎 𝐹𝑆 32 Exemplo de aplicação da fórmula de Tersaghi 𝐷 0973𝑚 𝜎 527𝑘𝑁 𝑚 0973𝑚 1706kN m 2218kNm 4𝑃 𝜋𝐷² 𝐹𝑆 527𝑘𝑁 𝑚 𝐷 1706kN m 4𝑃 𝜋 𝐹𝑆 527𝑘𝑁 𝑚 𝐷 1706kN m D 0 210085𝑘𝑁 527𝑘𝑁 𝑚 𝐷 1706kN m D 0 𝜎 𝑃 𝐴 𝑃 𝜋𝐷² 4 𝜎 4𝑃 𝜋𝐷² 𝜎 2218kNm 30 𝜎 739kNm 𝜎 527𝑘𝑁 𝑚 𝐷 1706kN m 33 2 Métodos Semiempírico A estimativa de parâmetros resistência e compressibilidade seria feita com base na resistência à penetração medida em sondagem N SPT ou na resistência de ponta do ensaio de penetração estática de cone 𝑞 21 Resistência à penetração em sondagens SPT É o método mais usado na prática As primeiras recomendações surgiram com a publicação do livro de Terzaghi e Peck 1948 sendo depois adaptadas por outros autores para se ajustar às condições existentes na localidade ou região em que atuavam 34 211 Formula empírica para o SPT Chamandose de N o valor da resistência à penetração SPT média na profundidade de ordem de grandeza de 2x a largura estimada para a fundação contando a partir da cota de apoio podese estimar a tensão admissível pelo método de coeficiente de segurança global como sendo σMPa N 50 válida para qualquer solo natural no intervalo 5 𝑁 20 𝑁 5 para não permitir o emprego de fundação direta quando o solo for mole ou fofo N 20 limitar a tensão admissível máxima a 04 𝑀𝑃𝑎 valores mais elevados somente com ensaios complementares eou assistência de especialista de fundações O valor médio de N não pode superar o valor de N da cota de assentamento da fundação 2𝐵 35 Exemplo usando fórmula empírica para ensaio de SPT Calcular a resistência do solo para a sapata com largura estimada de 15m e assentada a uma profundidade de 1m conforme mostrado no relatório de ensaio de precursão SPT ao lado considerando o bulbo de pressões mostrado σ MPa 135 50 027𝑀𝑃𝑎 σ MPa 0 026𝑀𝑃𝑎 σ MPa 13 50 026𝑀𝑃𝑎 𝑁1 13 16 11 14 4 135 36 212 Valores de resistência baseados em tabelas A tabela abaixo é fornecida pelo IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas 37 Exemplo Determinar a resistência do solo a 2 metros de profundidade para uma sapata quadrada usando a fórmula empírica baseadas na tabela do IPT Tabelas 8 6 10 06kgfcm 𝜎 2 4 𝜎 06kgfcm 06kgfcm 12kgfcm 8 6 10 6 𝜎 06kgfcm 12 06kgfcm 03kgfcm 𝜎 06kgfcm 03kgf cm 06kgf cm 𝜎 𝜎 09kgf cm 38 22 Ensaio de Penetração Estática do Cone A tensão admissível para projeto de sapatas pode ser estimada com base nos valores de resistência de ponta 𝑞𝑀𝑃𝑎 medidos no ensaio de penetração estática de cone 𝑘 02 𝑘 03 σMPa 𝑞234 k 50 σMPa 𝑁34 50 𝑞234 𝑘 𝑁 2𝐵 σ 23𝑀𝑃𝑎 02 50 023𝑀𝑃𝑎 As expressões acima são recomendadas para solos com 𝑞 05 𝑀𝑃𝑎 O valor da tensão admissível estimada deverá ser limitada a 04 𝑀𝑃𝑎 a não ser que se disponha da assistência de especialista de fundações Relação entre SPT e CPT Tab 35 Valores de k para qc em MPa segundo Schmertmann 1970 Ramaswany et al 1982 e Danziger e Velloso 1986 Solo Schmertman k Ramaswany et al k Danziger e Velloso k Areia 04 06 05 07 060 Areia siltosa argilosa siltoargilosa ou argilossiltosa 03 04 03 053 Silte silte arenoso argila arenosa 02 048 Silte arenoargiloso argiloarenoso argila siltoarenosa arenossiltosa 02 038 Silte argiloso 030 Argila argila siltosa 025 K qcMPaN Fig 321 Valores de k qc N em função da granulometria do solo Robertson et al 1983 40 3 Prova de Carga Sobre Placa A prova de carga sobre placa se constitui na realidade em ensaio em modelo reduzido de uma sapata Metodologia de Execução da Prova de Carga ü A execução é regulamentada pela NBR6489 Prova de Carga Direta Sobre Terreno de Fundação ü Uma placa de aço rígida de 80 cm de diâmetro é carregada em estágios por um macaco hidráulico reagindo contra uma cargueira ü Um estágio de carga somente é aplicado após terem praticamente cessado os recalques do estágio anterior ü As cargas sào aplicadas até a ruptura do solo e caso isto não aconteça até que se atinja o dobro da tensào admissível presumida para o solo ou um recalque julgado excessivo 41 Esquema de ensaio de prova de carga dobre placa 42 Esquema de ensaio de prova de carga dobre placa 43 Resultados de uma prova de carga São apresentados na forma de um gráfico Tensão x Recalque A curva Pressão x Recalque será representada pelas linhas pontilhadas obtida ligando os pontos estabilizados 44 3 Prova de Carga Sobre Placa Na maioria dos casos a curva Pressão x Recalque pode ser expresso entre dois casos bem diferentes 45 Exercício sobre placa de carga Estime a tensão admissível de na fundação direta a partir do resultado de uma prova de carga sobre placa apresentado abaixo Despreze o efeito do tamanho da fundação σ g σ56 σ7 𝐹𝑆 g 025𝑀𝑃𝑎 053𝑀𝑃𝑎 2 h025𝑀𝑃𝑎 026𝑀𝑃𝑎 σ 025𝑀𝑃𝑎 46 Exercício sobre placa de carga Estime a tensão admissível na fundação direta a partir do resultado de uma prova de carga sobre placa Despreze o efeito do tamanho da fundação σ σ89 2 σ89 160𝑘𝑃𝑎 σ 160𝑘𝑃𝑎 2 σ 80𝑘𝑃𝑎 σ 008𝑀𝑃𝑎 160𝑘𝑃𝑎 47 Exercício sobre a teoria de Terzaghi Uma sapata corrida com 85 m de largura está apoiada a 3m de profundidade num solo constituído por argila mole saturada γ 17kNm³ estando o nível de agua NA a 245 m de profundidade podese estimar a tensão admissível nas seguintes condições a A carga é aplicada de maneira rápida de modo que as condições não drenadas prevalecem 0 b A carga é aplicada de maneira lenta para que não haja acréscimo de pressão neutra no solo Característica da argila mole ensaio rápido não adensado não drenado 𝑐 24𝑘𝑃𝑎 Ensaio lento adensado 25 𝛾 7𝑘𝑁𝑚³ 48 Exercício Terzaghi a A carga é aplicada de maneira rápida de modo que as condições não drenadas prevalecem 0 𝜎 c 𝑁 𝑆 05 𝛾 𝐵 𝑁 𝑆 q 𝑁 𝑆 c 2 3 24kPa 16kPa argila mole ruptura local γ γ012 7kNm³ porque o solo está saturado Argila mole 17kNm³ Argila mole saturada 7kNm³ 245𝑚 300𝑚 𝑞 17kN m 245m 7kN m 055m 455kNm 𝐵 85𝑚 49 Exercício Terzaghi a A carga é aplicada de maneira rápida de modo que as condições não drenadas prevalecem 0 𝜎 c 𝑁 𝑆 05 𝛾 𝐵 𝑁 𝑆 q 𝑁 𝑆 𝑆 10 𝑆 10 𝑆 10 𝑁 57 𝑁 0 𝑁 10 𝜎 16 𝑘𝑁 𝑚 57 10 05 7 𝑘𝑁 𝑚 85𝑚 0 10 455 𝑘𝑁 𝑚 10 10 Fatores de carga para 0 com ruptura local Fatores de forma para sapata corrida 𝜎 912 𝑘𝑁 𝑚 455 𝑘𝑁 𝑚 𝜎 1377𝑘𝑃𝑎 𝜎 𝜎 𝐹𝑆 1377𝑘𝑃𝑎 3 459𝑘𝑃𝑎 50 Exercício Terzaghi b A carga é aplicada de maneira lenta para que não haja acréscimo de pressão neutra no solo 25 𝜎 c 𝑁 𝑆 05 𝛾 𝐵 𝑁 𝑆 q 𝑁 𝑆 c 2 3 24kPa 16kPa argila mole ruptura local γ γ012 7kNm³ porque o solo está saturado Argila mole 17kNm³ Argila mole saturada 7kNm³ 245𝑚 300𝑚 𝑞 17kN m 245m 7kN m 055m 455kNm 𝐵 85𝑚 51 Exercício Terzaghi b A carga é aplicada de maneira lenta para que não haja acréscimo de pressão neutra no solo 25 𝑆 10 𝑆 10 𝑆 10 𝑁 1481 𝑁 317 𝑁 56 𝜎 16 𝑘𝑁 𝑚 1481 10 05 7 𝑘𝑁 𝑚 85𝑚 317 10 455 𝑘𝑁 𝑚 56 10 𝜎 c 𝑁 𝑆 05 𝛾 𝐵 𝑁 𝑆 q 𝑁 𝑆 Fatores de carga para 25 com ruptura local Fatores de forma para sapata corrida 𝜎 2370 𝑘𝑁 𝑚 943 𝑘𝑁 𝑚 2548 𝑘𝑁 𝑚 𝜎 5861𝑘𝑃𝑎 𝜎 𝜎 𝐹𝑆 5861𝑘𝑃𝑎 3 1953𝑘𝑃𝑎 52 Exercício 2 Terzaghi Calcular o fator de segurança da sapata quadrada de lado 2m indicada abaixo usando a teoria de Terzaghi 𝑐 𝐹𝑆 1234𝑘𝑃𝑎 250𝑘𝑃𝑎 49 𝜎 c 𝑁 𝑆 05 𝛾 𝐵 𝑁 𝑆 q 𝑁 𝑆 𝜎 𝑃 𝐴 1000𝑘𝑁 2𝑚 2𝑚 250𝑘𝑃𝑎 𝐹𝑆 𝜎 𝜎 53 Encontrar a 𝜎 pela fórmula de Tersaghi c 160kPa argila muito rija pela tabela ruptura generalizada γ 19kNm³ 𝑞 15𝑘𝑁 𝑚 2𝑚 19𝑘𝑁 𝑚 1𝑚 30kN m 19kN m 49kNm 𝐵 20𝑚 𝑐 𝜑 0 𝑁 57 𝑁 0 𝑁 10 𝑆 13 𝑆 08 𝑆 10 𝜎 160kPa 57 13 05 19kNm³ 20𝑚 0 08 49kNm 1 1 𝜎 1234kPa 54 Exercício SPT Para a construção de um edifício de 10 andares foram realizados sondagens a percussão SPT cuja sondagem representativa está apresentada abaixo A carga média de um edifício de concreto é da ordem de 12KNm² por andar a área de influencia de cada pilar é da ordem de 4m² indique qual a tensão admissível do solo para fundações rasas apoiadas na cota 2m 𝐹 10 12𝑘𝑁 𝑚 4𝑚 480𝑘𝑁 Número de golpes médio 25𝑚 𝑁34 16 14 13 3 1433 55 Resolução Estimar a tensão admissível utilizando o valor do SPT na cota de assentamento σ 𝑁 50 16 50 032𝑀𝑃𝑎 Estimar as dimensões da sapata como se ela fosse quadrada 𝐴8 𝐹 σ 480𝑘𝑁 320𝑘𝑁𝑚 15𝑚 𝐵 15𝑚 125𝑚 Determinar o comprimento do bulbo de pressão 𝐿 2 𝐵 2 125𝑚 250𝑚 Determinar o 𝑁34 e encontra a tensão admissível σ 𝑁34 50 1433 50 028𝑀𝑃𝑎