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CENTRO UNIVERSITÁRIO UNINOVAFAPI BACHARELADO EM ENGENHARIA CIVIL GEOLOGIA APLICADA À ENGENHARIA CIVIL PROFESSOR: MAGNO DE SÁ FREITAS
DOMINGOS VIEIRA DE ALENCAR NETO
MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO GEOLÓGICA E GEOTÉCNICA
TERESINA-PI 2015
DOMINGOS VIEIRA DE ALENCAR NETO
MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO GEOLÓGICA E GEOTÉCNICA
Trabalho apresentado como requisito para obtenção de nota para a disciplina de Geologia Aplicada à Engenharia Civil, do curso de bacharelado em Engenharia Civil do Centro Universitário Uninovafapi sob orientação do Profº Magno de Sá Freitas.
TERESINA-PI 2015
SUMÁRIO
OS MÉTODOS INDIRETOS E DIRETOS DE INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO APLICADOS À ENGENHARIA CIVIL
1. 2. 2.1. 2.1.1. 2.1.2. 2.1.3. 2.2. 2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.2.4. 2.2.5.
INTRODUÇÃO....................................................................................4 MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO DO SOLO.......................................4 MÉTODOS INDIRETOS......................................................................4 MÉTODOS GEOELÉTRICOS.............................................................5 MÉTODOS SÍSMICOS........................................................................9 MÉTODOS POTENCIAIS...................................................................11 MÉTODOS DIRETOS........................................................................13 PERCUSSÃO (SP).............................................................................14 TRADO (ST).......................................................................................16 ROTATIVA (SR).................................................................................17 TRINCHEIRAS (TR)...........................................................................18 POÇOS DE INSPEÇÃO.....................................................................19
AS FUNDAÇÕES DIRETAS (RASAS E PROFUNDAS) E INDIRETAS OU PROFUNDAS. 1. 2. 2.1. 2.1.1. 2.1.2. 2.1.2.1. 2.1.2.2. 2.1.2.3. 2.1.2.4. 2.2. 2.2.1. 2.2.1.1. 2.2.1.2. 2.2.1.3. 2.2.1.4. 2.2.1.5. 2.2.1.6. 2.2.1.7. 2.3. 2.3.1. 2.3.2.
INTRODUÇÃO..............................................................................20 TIPOS DE FUNDAÇÕES..............................................................20 FUNDAÇÕES DIRETAS OU RASAS............................................21 BLOCOS E ALICERCES...............................................................21 SAPATAS......................................................................................22 ISOLADA......................................................................................22 CORRIDA.....................................................................................23 ASSOCIADA..................................................................... ............23 ALAVANCADAS...........................................................................23 FUNDAÇÕES INDIRETAS OU PROFUNDAS..................... . .......24 ESTACAS.............................................................................. ........24 ESTACAS BROCA................................................................ .......24 ESTACAS TIPO STRAUSS..........................................................26 ESTACAS TIPO FRANKI..............................................................27 ESTACAS HÉLICE CONTÍNUA................................................ ...29 ESTACAS RAIZ.............................................................................31 JET GROUTING........................................................................ ....33 PAREDES DE DIAFRAGMA.........................................................35 TUBULÕES...................................................................................37 TUBULÃO A CÉU ABERTO..........................................................38 TUBULÃO A AR COMPRIMIDO...................................................38 .
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................................. .41
MÉTODOS INDIRETOS E DIRETOS DE INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO | 4 OS MÉTODOS INDIRETOS E DIRETOS DE INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO APLICADOS À ENGENHARIA CIVIL
1. INTRODUÇÃO Os métodos de investigação geológica consistem em procedimentos que visam decifrar as características principais do solo quanto aos parâmetros físicos, químicos e biológicos para dessa forma possibilitar o seu uso e ocupação. Basicamente o estudo da crosta através de determinadas metodologias objetiva-se a delimitar espacialmente os corpos terrestres e determinar suas características e propriedades geomecânicas através de um conjunto de processos de investigação aplicado num local para o conhecimento das unidades geológicas. A geologia divide os métodos de investigação geológica em dois tipos: direto e indireto. Ambos são aplicáveis na verificação da superfície e subsuperfície.
2. MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO DO SOLO 2.1.
MÉTODOS INDIRETOS
São aqueles em que a determinação das propriedades das camadas do subsolo são extraídas indiretamente pela medida, seja da sua resistividade elétrica ou da velocidade de propagação de ondas elásticas. Os índices medidos mantêm correlações com a natureza geológica dos diversos horizontes, podendo-se ainda conhecer as suas respectivas profundidades e espessuras. Incluem-se nessa categoria os métodos geofísicos. Estes consistem em ensaios de campo que não alteram as propriedades físicas do material pesquisado, onde se utilizam as feições topográficas, morfológicas e físicas do terreno. Nesse método o solo é analisado visualmente através de imagens por sensoriamento remoto e fotos aéreas Os principais métodos são:
Métodos geoelétricos (eletroresistividade, sondagem elétrica vertical, potencial espontâneo e polarização induzida, radar de penetração no subsolo - GPR) Métodos sísmicos (sísmica de refração e sísmica de reflexão); Métodos potenciais (magnetometria e gravimetria).
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2.1.1. MÉTODOS GEOELÉTRICOS Estes métodos envolvem a detecção, na superfície dos terrenos, dos efeitos produzidos pelo fluxo de corrente elétrica em subsuperfície. Estes são empregados em:
Determinação da posição e geometria do topo rochoso; Caracterização dos estratos sedimentares; Identificação de zonas de falhas, zonas alteradas, contatos litológicos, entre outros.
ELETRORRESISTIVIDADE
Dentre as principais propriedades elétricas utilizadas na investigação destaca-se a eletrorresistividade, que diz respeito à dificuldade encontrada pela corrente elétrica para se propagar num meio qualquer. Os dados podem ser apresentados de várias formas, como perfis, seções e plantas de isovalores de resistividade aparente. A figura abaixo mostra um exemplo de apresentação doresultado através de mapaonde se identifica através da baixa resistividade uma região de zona de falhas.
Figura 1 - Mapa de isorresistividade. Fonte: Oliveira & Brito 1998.
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. Figura 2 - Esquema
SONDAGEM ELÉTRICA VERTICAL
Este método consiste em medir, na superfície terrestre, o parâmetro resistividade elétrica com o emprego de um arranjo (simétrico ou assimétrico) de eletrodos de emissão (AB) e de recepção (MN). A Sondagem Elétrica Vertical é uma técnica utilizada principalmente no estudo de interfaces horizontais, onde todo o arranjo de eletrodos é expandido ao redor de um ponto fixo central. Mede a variação vertical da resistividade elétrica em sub-superfície. Quanto maior o espaçamento dos eletrodos, maior a profundidade de investigação. Possui ampla aplicação em estudos geotécnicos e em hidrogeologia. Este método pode ser empregado em: construções de grandes obras civis (barragens, túneis e portos), áreas contaminadas e para construção de aterros sanitários.
Figura 3 - Sondagem elétrica vertical. Fonte: Oliveira & Brito 1998.
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POTENCIAL ESPONTÂNEO E POLARIZAÇÃO INDUZIDA
Estudam a investigação da polarização, que pode ser natural (espontânea) ou induzida. Este último chamado de polarização induzida e útil para prospecção de cobre, chumbo e zinco. Este método está relacionado as diferenças de potencial provocadas pela circulação de correntes elétricas naturais no subsolo. O mesmo é empregado na determinação das direção e sentido do fluxo dos fluidos subterrâneos. O princípio e a geometria do arranjo dos sensores estão na figura abaixo.
Figura 4 - Potencial espontâneo. Fonte: Oliveira & Brito 1998
RADAR DE PENETRAÇÃO NO SUBSOLO (GPR)
O GPR é um método geofísico de imageamento da subsuperfície que utiliza pulsos elétricos para gerar ondas eletromagnéticas, na faixa de VHF/UHF, que são irradiadas por uma antena emissora transportada na superfície. As ondas refletidas e difratadas são recebidas por uma antena receptora localizada na superfície do terreno.
Figura 5 - Modo de obtenção dos dados de GPR. Fonte:Sousa 2003.
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Esta técnica possui amplas aplicações, como localizações de canais enterrados, estudos arqueológicos e forenses, entre outros, podendo ser aplicado também em zonas urbanas. As informações são processadas por meio de softwares especializados, e os resultados apresentados na forma de um radargrama, muito similar a um sismograma.
Figura 6 - Executando o método.
Figura 7 - Forma do resultado obtido pelo método GPR e sua interpretação. Fonte:Sousa 2003.
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2.1.2. MÉTODOS SÍSMICOS Os métodos sísmicos têm por objetivo estudar a distribuição em profundidade do parâmetro velocidade de propagação das ondas acústicas, que está relacionado com características físicas do meio geológico, tais como: densidade, porosidade, química, mineralogia e constantes elásticas. O modo de apresentação dos resultados se dá através das seções sísmicas. No contexto dos métodos sísmicos, as ondas elásticas (ou sísmicas) são produzidas artificialmente, por meio da geração de uma frente de onda a partir de um ponto predeterminado (fonte). A propagação das ondas é induzida por meio da “injeção” brusca de alguma forma de energia (mecânica, principalmente) em subsuperfície. Dois métodos sísmicos são conhecidos: reflexão e refração. Nesses as informações são processadas por meio de softwares especializados, e os resultados, apresentados sob a forma de sismogramas ou seções sísmicas.
Figura 8 - Exemplo de seção sísmica e sua interpretação. Fonte: Sousa 2003.
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Figura 9 - Executando o método.
SÍSMICA DE REFLEXÃO
Baseia-se na captação das ondas que incidem sobre um refletor em subsuperfície com inclinação menor que o ângulo crítico. Tais ondas são chamadas de reflexões subcríticas. Nesta técnica, obtêm-se os tempos de percurso medidos, resultando em estimativas de profundidade das interfaces das camadas.
Figura 10 - Exemplo do método de sísmica de reflexão
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SÍSMICA DE REFRAÇÃO
Baseia-se no registro das ondas sísmicas refratadas nas superfícies de contato litológico ou outras superfícies. As ondas captadas viajam com velocidade V2 ao longo da interface dos meios. Normalmente utilizado para localizar superfícies refratoras, que separam camadas terrestres de diferentes impedâncias acústicas (velocidades sísmicas x densidades).
Figura 11 - Exemplo do método de sísmicade refração
2.1.3. MÉTODOS POTENCIAIS
MAGNETOMETRIA
A Magnetometria é um método que mede a intensidade do campo magnético terrestre, que sofre influência das rochas em profundidade, aumentando ou diminuindo o campo, conforme a composição destas rochas e os contrastes de susceptibilidade magnética existente entre as mesmas. Em geral, reflete a quantidade de magnetita presente nas rochas. Considera-se um dos métodos geofísicos mais utilizados para prospecção mineral, devido, principalmente, a rapidez do levantamento. Assim como na Gravimetria, os resultados da Magnetometria são apresentados sob a forma de mapas e perfis.
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Figura 12 - Exemplo de mapa magnetométrico
GRAVIMETRIA
A Gravimetria é um método voltado para o estudo das pequenas variações locais do campo gravitacional terrestre, gerado pela presença de rochas com diferentes densidades. Os levantamentos gravimétricos são realizados em diferentes escalas, dependendo do objetivo do trabalho e da área de estudo. Os dados são corrigidos, filtrados e o resultado é apresentado sob a forma de mapas ou perfis, que são utilizados em mapeamento geológico e em prospecção mineral.
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Figura 13 - Exemplo de mapa gravimétrico
2.2.
MÉTODOS DIRETOS
Esse método permite a observação direta do subsolo, sua identificação, classificação e a resistência das suas diversas camadas, através da retirada de amostras do solo, ao longo de uma perfuração ou medição direta de propriedades in situ. Compreendem as escavações realizadas com o intuito de prospectar os maciços, as sondagens mecânicas e os ensaios, com as sondagens dos materiais ao longo da linha de perfuração descrevem-se testemunhos, estruturas geológicas e as características geotécnicas dos materiais. Podem ser feitas por:
PERCUSSÃO (SP) TRADO (ST) TRINCHEIRAS (TR) ROTATIVA (SR) POÇO DE INSPEÇÃO (P)
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2.2.1.
PERCUSSÃO (SP)
Sondagem SPT também conhecido como sondagem à percussão ou sondagem de simples reconhecimento, é um processo de exploração e reconhecimento do subsolo, largamente utilizado na engenharia civil para se obter subsídios que irão definir o tipo e o dimensionamento das fundações que servirão de base para uma edificação. A sigla SPT tem origem no inglês (standard penetration test) e significa ensaio de penetração padrão. As principais informações obtidas com esse tipo de ensaio são:
A identificação das diferentes camadas de solo que compõem o subsolo;
A classificação dos solos de cada camada;
O nível do Lençol freático;
A capacidade de carga do solo em várias profundidades.
O ensaio consiste na cravação vertical no solo, de um cilindro amostrador padrão - Barrilete, através de golpes de um martelo com massa padronizada de 65 kg, solto em queda livre de uma altura de 75 cm. São anotados os números de golpes necessários à cravação do amostrador em três trechos consecutivos de 15 cm sendo que o valor da resistência à penetração (NSPT) consiste no número de golpes aplicados na cravação dos 30 cm finais. Após a realização de cada ensaio, o amostrador é retirado do furo e a amostra é coletada, para posterior classificação que geralmente é feita pelo método Tátil-visual onde se determina a cor, a textura, a plasticidade e a consistência ou compacidade do solo.
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Figura 14 - Ilustração do equipamento
Figura 15 - Execução do método
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2.2.2. TRADO (ST) Nesse método simples, rápido e econômico a perfuração utiliza como instrumento o trado, um tipo de amostrador de solo constituído por lâminas cortantes, que podem ser compostas por duas peças, de forma convexa (trado concha) ou única, de forma helicoidal. A sondagem deve ser iniciada com o trado concha e seu avanço feito até:
Atingir a profundidade especificada na programação dos serviços; Ocorrerem desmoronamentos sucessivos da parte do furo; O avanço do trado for inferior a 5 cm em 10 min. de operação contínua de perfuração;
Figura 16 - Equipamentos (Sondagem a Trado)
Figura 17 - Executando a sondagem
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2.2.3. ROTATIVA (SR) Emprega equipamentos e processos que se mostram capazes de perfurar materiais impenetráveis para as sondagens à percussão, tais como rochas, pedras (matacões) ou outros obstáculos encontrados no subsolo, inclusive concreto. É um método de investigação que consiste no uso de um conjunto moto mecanizado projetado para a obtenção de amostras de materiais rochosos, contínuas e com formato cilíndrico, através de ação perfurante dada basicamente por forças de penetração e rotação que, conjugadas, atuam com poder cortante. A amostra de rocha obtida é chamada de testemunho, e pode ser de diversos diâmetros, a ser definido em função da utilização (tipo da obra). A obtenção de amostras de testemunhos de sondagens rotativas visa não apenas a identificação da litologia e estruturas geológicas, mas também a identificação das características geotécnicas dos materiais e das descontinuidades. As principais vantagens deste tipo de sondagem são:
Permite perfurações com ângulo de inclinação; Pode atingir grandes profundidades; Permite execução de Ensaios de Perda d’Água (EPA) no maciço rochoso;
Figura 18 - Sondagem Rotativa
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2.2.4. TRINCHEIRAS (TR) São escavações manuais ou feitas por meio de escavadeiras com o objetivo de expor e permitir a direta observação visual do subsolo, com a possibilidade de coleta de amostras indeformadas, além da visualização de estruturas presentes no solo ou na rocha bem como os horizontes de alteração do dolo e a profundidade do nível d’água, que também vem a ser o fator limitante para o avanço da escavação. Possui um baixo custo, por isso é um método bem vantajoso, além de se utilizar de ferramentas simples e proporcionar acesso ao local a pé. O poço de inspeção ou trincheira de inspeção é uma escavação vertical, de seção circular ou quadrada, com dimensões mínimas suficientes para permitir o acesso de um observador, objetivando a inspeção visual das paredes e fundo, bem como a retirada de amostras representativas, deformadas e indeformadas.
Figura 19 - Trincheira
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2.2.5. POÇO DE INSPEÇÃO (PI) Poço de inspeção é a escavação manual de grande diâmetro, geralmente de rasa profundidade. Seu principal objetivo é a análise das paredes da escavação em estado natural. Permite também a coleta de amostras com finalidade de ensaios laboratoriais.
Figura 20 - Poço de inspeção em execução.
Figura 21 - Sondagem tipo Poço de Inspeção (PI) para coleta de amostas e investigação visual das paredes do solo.
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AS FUNDAÇÕES DIRETAS (RASAS E PROFUNDAS) E INDIRETAS OU PROFUNDAS.
1. INTRODUÇÃO Fundação é a obra, geralmente enterrada, que serve para suportar a casa, prédio, ponte ou viaduto. A fundação pode ser feita de diversos tipos de materiais e dependendo do tipo de terreno encontrado no local das obras, adota-se tipos diferentes de fundações. Assim, as fundações devem ter resistência adequada para suportar às tensões causadas pelos esforços solicitantes. Além disso, o solo necessita de resistência e rigidez apropriadas para não sofrer ruptura e não apresentar deformações exageradas ou diferenciais.
2. TIPOS DE FUNDAÇÕES As fundações se classificam em diretas e indiretas, de acordo com a forma de transferência de cargas da estrutura para o solo onde ela se apóia. Fundações diretas são aquelas que transferem as cargas para camadas de solo capazes de suportá-las (FABIANI, s.d.), sem deformar-se exageradamente. Esta transmissão é feita através da base do elemento estrutural da fundação, considerando apenas o apoio da peça sobre a camada do solo, sendo desprezada qualquer outra forma de transferência das cargas (BRITO, 1987). As fundações diretas podem ser subdivididas em rasas e profundas. A fundação rasa se caracteriza quando a camada de suporte está próxima à superfície do solo (profundidade até 2,5 m) (FABIANI, s.d.), ou quando a cota de apoio é inferior à largura do elemento da fundação (BRITO, 1987). Por outro lado, a fundação é considerada profunda se suas dimensões ultrapassam todos os limites acima mencionados. Fundações indiretas são aquelas que transferem as cargas por efeito de atrito lateral do elemento com o solo e por efeito de ponta (FABIANI, s.d.). As fundações indiretas são todas profundas, devido às dimensões das peças estruturais (BRITO, 1987). As fundações superficiais são tipicamente projetadas com pequenas escavações no solo não sendo necessários grandes equipamentos para execução. O que caracteriza, principalmente uma fundação rasa ou direta é o fato da distribuição de carga do pilar para o solo ocorrer pela base do elemento de fundação, sendo que, a carga aproximadamente pontual que ocorre no pilar, é transformada em carga distribuída, num valor tal, que o solo seja capaz de suportá-la. Outra característica da fundação direta é a necessidade da abertura da cava de fundação para a construção do elemento de fundação no fundo da cava. As fundações profundas são utilizadas geralmente em projetos grandes que precisam transmitir maiores cargas ao terreno e quando as camadas
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superficiais do solo são pobres ou fracas. Incluem-se neste tipo de fundação as estacas, tubulões e caixões. A fundação profunda, a qual possui grande comprimento em relação a sua base, apresenta pouca capacidade de suporte pela base, porém grande capacidade de carga devido ao atrito lateral do corpo do elemento de fundação com o solo. A fundação profunda, normalmente, dispensa abertura da cava de fundação, constituindo-se, por exemplo, em um elemento cravado por meio de um bate-estaca.
2.1.
FUNDAÇÕES DIRETAS OU RASAS
2.1.1. BLOCOS E ALICERCES Este tipo de fundação é utilizado quando há atuação de pequenas cargas, como por exemplo um sobrado. Os blocos são elementos estruturais de grande rigidez, ligados por vigas denominadas “baldrames”, que suportam predominantemente esforços de compressão simples provenientes das cargas dos pilares. Podem ser de concreto simples, alvenarias de tijolos comuns ou mesmo de pedra de mão. Geralmente, usa-se blocos quando a profundidade da camada resistente do solo está entre 0,5 e 1,0 m de profundidade (BRITO,1987). O que caracteriza a fundação em blocos é o fato da distribuição de carga para o terreno ser aproximadamente pontual, ou seja, onde houver pilar existirá um bloco de fundação distribuindo a carga do pilar para o solo. Os blocos podem ser construídos de pedra, tijolos maciços, concreto simples ou armado. Quando um bloco é construído de concreto armado ele recebe o nome de sapata de fundação. Conforme a NBR 6118/03, item 22.5: “Blocos são estruturas de volume usadas para transmitir às estacas as cargas de fundação, e podem ser consideradas rígidos ou flexíveis por critério análogo ao definido para as sapatas.”
Figura 22 - Bloco em alvenaria de tijolos
Os alicerces, também denominados de blocos corridos, são utilizados na construção de pequenas residências e suportam as cargas provenientes das paredes resistentes, podendo ser de concreto, alvenaria ou de pedra. É o tipo
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mais comum de fundação. Constitui-se de uma viga, que pode ser de alvenaria, de concreto simples ou armado construída diretamente no solo, dentro de uma pequena vala. É mais empregada em casos de cargas leves como residência construídas sobre solo firme.
Figura 23 - Tipos de alicerce
2.1.2. SAPATAS Ao contrário dos blocos, as sapatas não trabalham apenas à compressão simples, mas também à flexão, devendo neste caso serem executadas incluindo material resistente à tração (BRITO, 1987). A sapata é um bloco de concreto armado construído diretamente sobre o solo dentro de uma escavação. As sapatas são basicamente de três tipos: Sapata isolada, sapata corrida e sapata combinada.
2.1.2.1.
ISOLADA: Transmite os esforços de um único pilar; pode ter diversas formas, pode ser retangular, quadrada, circular, etc.
Figura 234 - Sapatas isoladas
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2.1.2.2.
CORRIDA: Sapata sujeita à ação de uma carga distribuída linearmente ou de pilares ao longo de um mesmo alinhamento.
Figura 25 - Sapata corrida
2.1.2.3.
ASSOCIADA: É a sapata comum a mais de um pilar, sendo também chamada sapata combinada ou conjunta. Transmitem solicitações de dois ou mais pilares não lineares e é utilizada como alternativa quando a distância entre duas ou mais sapatas é pequena
Figura 26 - Sapatas associadas
2.1.2.4.
ALAVANCADAS: No caso de sapatas de pilares de divisa ou próximos a obstáculos onde não seja possível fazer com que o centro de gravidade da sapata coincida com o centro de carga do pilar, cria-se uma viga alavanca ligada entre duas sapatas, de modo que um pilar absorva o momento resultante da excentricidade da posição do outro pilar.
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Figura 27 - Sapatas alavancadas
2.2.
FUNDAÇÕES INDIRETAS OU PROFUNDAS
2.2.1. ESTACAS As estacas são elementos estruturais de fundação profunda que são executadas inteiramente por equipamentos ou ferramentas, sem que, em qualquer fase de sua execução, haja descida do operário pelo fuste. Podem ser classificadas como “estacas escavadas” e “estacas cravadas”. Das estacas escavadas, ainda podemos agrupá-las em: estacas escavadas com o emprego de broca, ou, através do apiloamento do solo. É empregada em solos fracos ou em prédios de altura média. As estacas podem ser moldadas no local ou pré-fabricadas. Podem ser de concreto simples, concreto armado, de madeira ou metálicas. As estacas de madeira têm carga de trabalho e comprimentos limitados. Os tipos de madeira utilizados para estacas são: aroeira, maçaranduba, eucalipto e peroba do campo. Estas estacas apodrecem quando estão acima do nível d’ água, necessitando que seja feita uma proteção na parte da estaca que possa ficar em contato com o ar. Os tipos de estacas de aço são: perfis I, 2I, CS ou trilhos. Suportam altas cargas, servem para qualquer solo, tem grande resistência à cravação e os comprimentos são variáveis porque os elementos podem ser soldados.
Estacas moldadas “in loco”: Broca Strauss Franki Hélice Contínua Estacas raiz Jet-Grouting Paredes diafragma
Além desses tipos de estacas convencionais, também são utilizadas estacas de solo cimento executadas através da técnica denominada “jet grouting” para algumas situações especiais, como contenções, melhoria do solo, abertura de valas, estabilização de taludes e impermeabilização.
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2.2.1.1.
ESTACAS BROCA
Usada em fundações de casas simples, em terrenos que suportam pouco peso e quando a perfuração do solo é feita manualmente, com o auxílio de um instrumento chamado trado. A estaca do tipo broca é cravada em pequena profundidade, no máximo até 4 metros, que serão preenchidos com concreto.
Figura 28 - Perfuração com estaca tipo broca
A recomendação para brocas de concreto é de um diâmetro que esteja entre 20 e 40 cm e o espaçamento entre as estacas deve ser, também no mínimo, três vezes o diâmetro da broca. Para erros na localização, tem um máximo de tolerância sem que haja necessidade de manutenção. Até 1% de desvio, pode deixar da maneira como está. Acima disso já é necessário um cuidado especial para que seja modificado.
PROPRIEDADES
Como não é feita nenhuma contenção nas paredes da perfuração nesse método, o uso das brocas fica restrito aos terrenos coesivos acima do nível da água. O concreto é de baixa qualidade, devido à absorção de água pelo solo. 3. Várias restrições podem ser feitas a este tipo de estaca: • Baixa capacidade de carga, geralmente entre 1 a 2 toneladas por metro de broca; • Há perigo de entrar solo no concreto na etapa do enchimento e também de estrangulamento do fuste; • Não existe garantia de verticalidade; • Só pode ser executada acima do lençol freático; • Comprimento máximo de 8 metros;
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• Trabalha apenas à compressão, sendo às vezes utilizada uma armadura para fazer a ligação com outros elementos da construção.
2.2.1.2.
ESTACAS TIPO STRAUSS
A estaca strauss apresenta vantagem pela leveza e simplicidade do equipamento que emprega. Com isso, pode ser utilizada em locais confinados, em terrenos acidentados ou ainda no interior de construções existentes, com pé direito reduzido. O processo não causa vibrações, o que é de muita importância em obras em que as edificações vizinhas, dada a natureza do subsolo e de suas próprias deficiência, sofreriam danos sérios com essas vibrações. As estacas do tipo strauss são moldadas “in loco”, com processo relativamente simples e eficaz. A perfuração é executada com o auxílio de uma sonda, denominada “piteira”, com a utilização parcial ou total de revestimento recuperável e posterior concretagem da fundação no local
CARACTERÍSTICAS
Reduzida trepidação e, consequentemente, pouca vibração nas edificações vizinhas à obra. Possibilidade de execução da estaca com o comprimento projetado, permitindo cotas de arrasamento abaixo da superfície do terreno. Facilidade de locomoção dentro da obra. Permite conferir durante a percussão, por meio de retirada de amostras do solo, a sondagem realizada. Permite verificar, durante a perfuração, a presença de corpos estranhos no solo, matacões e outros, possibilitando a mudança de locação antes da concretagem. Capacidade de executar estacas próximas às divisas do terreno, diminuindo assim, a excentricidade nos blocos. Execução de estacas com capacidade de 20 ton, 30 ton e 40 ton.
PERFURAÇÃO
Crava-se o tubo no solo enquanto se retira o solo do interior do tubo com uma sonda; Atingida a cota de assentamento, limpa-se totalmente o interior do tubo; Preenche-se o tubo com concreto apiloado em camadas sucessivas, enquanto é feito o preenchimento retira-se o tubo, com o cuidado de manter a ponta do tubo sempre abaixo do concreto.
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Figura 29 - Processo de escavação tipo Strauss
VANTAGENS
Pouca vibração durante a execução; Custo relativamente baixo; Fácil execução em solo acima do nível da água.
DESVANTAGENS
2.2.1.3.
Difícil execução abaixo do nível da água; Capacidade de carga pequena; Difícil cravação em solo resistente.
ESTACAS TIPO FRANKI
As estacas Franki são moldadas in loco, apresentam grande capacidade de carga e podem ser executadas em grandes profundidades, não sendo limitadas pelo nível do lençol freático. Seus maiores inconvenientes são a vibração do solo durante a execução, a área necessária ao bate-estaca e possibilidade de alterações de concreto do fuste, por deficiência de controle. Sua execução é sempre feita por uma firma especializada (BRITO, 1987). Possui grande capacidade de carga, de 55 a 170 toneladas, dependendo do diâmetro.
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PERFURAÇÃO
Inicia-se a cravação do tubo no solo, derrama-se uma quantidade de concreto seco e apiloando-se com o pilão, de modo a formar um tampão estanque; Sob os golpes do pilão o tubo penetra no solo e o comprime fortemente; Chegando-se à profundidade desejada, prende-se o tubo e, sob os golpes do pilão, soca-se o concreto tanto quanto o solo suporta, de modo a construir uma base alargada (ponta alargada da estaca); Terminada a execução da base alargada é colocada a armação e iniciada a execução do fuste, neste momento inicia-se a retirada do tubo;
Figura 30 - Fases da execução / Estaca tipo Franki
VANTAGENS
Grande área da base, fornecendo grande resistência de ponta; Superfície do fuste (lateral) muito rugosa, fornecendo grande resistência lateral devido a boa ancoragem do fuste no solo; Devido a sua execução o terreno fica fortemente comprimido; Pode ser executada em grandes profundidades; Suporta grande capacidade de carga;
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DESVANTAGENS
Grande vibração durante a cravação; Demora no tempo de execução; Custo elevado da mão – de – obra; Capacidade de carga do concreto de aproximadamente 60 kg/cm2
PROPRIEDADES
2.2.1.4
Podem ser verticais ou inclinadas, sendo que a inclinação pode ser de até 2º com a vertical. Podem ocorrer descontinuidades no fuste se a altura do concreto dentro do revestimento durante a concretagem não for suficiente para manter estáveis as paredes da escavação. As grandes vibrações são causadas pela alta energia utilizada na cravação, o que pode prejudicar prédios vizinhos que possuam fundações em camadas superficiais do solo. Por isso em função das características do subsolo, podem ser empregados métodos executivos variantes do método convencional, por meio de perfuração prévia ou cravando-se numa primeira etapa o tubo com a ponta aberta e desagregando-se o material com a utilização de uma ferramenta apropriada e água (ALONSO, 1979). Nos casos em que haja presença de fluxo de água subterrâneo ou camadas de solo muito moles, pode-se optar por não recuperar o revestimento (estaca Franki “tubada”). No caso de existir uma camada espessa de argila orgânica mole saturada, a concretagem do fuste pode ser feita de duas maneiras: Crava-se o tubo até o terreno firme, enchendo o mesmo com areia. Depois o tubo é arrancado e cravado no mesmo lugar. Isso faz com que se forme uma camada de areia que aumentará a resistência da argila mole e protegerá o concreto fresco contra o efeito do estrangulamento; Depois do tubo cravado, a base alargada e a armadura posicionada, enche-se inteiramente o mesmo com concreto plástico (slump de 8 a 12 cm) e em seguida o mesmo é retirado de uma só vez com o auxílio de um equipamento vibrador acoplado ao tubo. A este processo dá-se o nome de Franki com fuste vibrado (ALONSO, 1979)
ESTACAS HÉLICE CONTÍNUA
A estaca hélice contínua é uma estaca de concreto moldada "in loco", executada por meio de trado contínuo e injeção de concreto através da haste central do trado simultaneamente a sua retirada do terreno.
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PERFURAÇÃO
A perfuração consiste em fazer a hélice penetrar no terreno por meio de torque apropriado para vencer a sua resistência. A haste de perfuração é composta por uma hélice espiral solidarizada a um tubo central, equipada com dentes na extremidade inferior que possibilitam a sua penetração no terreno. A metodologia de perfuração permite a sua execução em terrenos coesivos e arenosos, na presença ou não do lençol freático e atravessa camadas de solos resistentes com índices de STP`s acima de 50 dependendo do tipo de equipamento utilizado. A velocidade de perfuração produz em média 250m por dia dependendo do diâmetro da hélice, da profundidade e da resistência do terreno.
Figura 31 - Processo e perfuração e concretagem (Estaca tipo Hélice Contínua)
VANTAGENS
Alta produtividade; Elevado grau de qualidade; Possibilidade de execução muito próxima a divisa do terreno, pode ser executada abaixo do nível de água; Pode ser utilizada em qualquer tipo de solo (exceto perfuração de rochas); Provoca pouca ou nenhuma vibração;
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Apresenta baixa intensidade de barulho para sua execução (o ruído e as vibrações são extremamente baixos). É o método adequado para ser utilizado em terrenos de baixa resistência ou submerso; Não há desconfinamento lateral do solo; Como o concreto é bombeado sob pressão ele preenche continuamente o volume escavado, fornecendo uma maior resistência por atrito lateral da estaca;
DESVANTAGENS
2.2.1.5.
Necessidade de locais planos para locomoção dos equipamentos de execução; Grande acumulo de solo retirado, exigindo remoção constante; Número grande de estacas para ser competitiva com os demais sistemas disponíveis no mercado. Custo relativamente elevado; ESTACAS RAIZ
A execução de uma estaca-raiz compreende quatro fases consecutivas: • Perfuração auxiliada com circulação de água; • Instalação da armadura; • Preenchimento do furo com argamassa; • Remoção do revestimento e aplicação de golpes de ar comprimido.
O emprego deste tipo de estaca é indicado em todo tipo de fundação e em especial para fundações de equipamentos industriais, reforços de fundações, locais com restrição de pé direito ou dificuldade de acesso para equipamentos de grande porte, situações nas quais a execução possa provocar vibrações, em casos onde é preciso atravessar matacões ou blocos de concreto ou ainda quando existe necessidade de engaste da estaca no topo rochoso.
PERFURAÇÃO
Realizar a perfuração do solo por meio da perfuratriz rotativa ou rotopercussiva com a descida de tubo de revestimento; caso o tubo de revestimento encontre dificuldade para seu avanço, em razão da ocorrência de solos muito duros ou ainda plásticos, devem ser empregadas brocas de três asas, tipo tricone, para execução de préfuro ou ainda para limpeza no interior. Descer o tubo, com auxílio de circulação de água (ou ar comprimido) injetada no seu interior, até a profundidade prevista no projeto.
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Medir a profundidade da perfuração, utilizando-se a composição de tubos de injeção, introduzindo-a no interior do tubo de revestimento até a cota de fundo da perfuração. Quando a perfuração atingir matacão, rocha e/ou concreto, deverá ser usada sapata ou coroa diamantada, acoplada ao barrilete amostrador, interno à composição de tubos de revestimento, de maneira a retirar-se o testemunho da rocha (procedimento igual ao da sondagem rotativa). Alternativamente podem ser utilizados martelos pneumáticos ou hidráulicos, sendo que todos os martelos perfuram por sistema rotopercussivo e trabalham interiormente ao tubo e revestimento. Sempre a perfuração deve prosseguir até a cota de fundo prevista em projeto.
Figura 32 - Sequência executiva (Estaca tipo Raiz)
VANTAGENS
Ausência de vibração e descompressão do terreno Possibilidade de execução em áreas de espaço limitado Utilização em terrenos com perfis geológicos com presença de matacões, rochas e até concreto Resistem a cargas de tração muito elevadas É ideal para as fundações de várias obras especiais DESVANTAGENS
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2.2.1.6.
Custo elevado Alto consumo de cimento e ferragens Impacto ambiental Desperdício de água e obra alagada devido consumo excessivo de água
JET GROUTING
A técnica de Jet Grouting é uma técnica de injecção de terrenos que se encontra em rápido desenvolvimento em Portugal e no Mundo. Esta técnica foi inicialmente desenvolvida na década de setenta, no Japão, Reino Unido e em Itália. Ao longo dos últimos trinta anos tem sido aplicada em diversas obras por todo o mundo; em Portugal foi aplicada pela primeira vez em 1993, em Setúbal (Carreto, 1999; Falcão et al., 2000) O Jet Grouting é um processo capaz de se valer da atuação de um jato da calda de cimento introduzido no terreno a alta pressão e elevada velocidade através de bicos injetores, num raio bem determinado, de tal modo que desagrega o solo misturando-se a este formando, assim, colunas de solocimento. O sistema Jet Grouting é empregado em todos aqueles casos onde, pela heterogeneidade dos terrenos ou pelas características anômalas de permeabilidade, se tornem de difícil ou duvidosa execução os sistemas tradicionais de injeção e de perfuração. Suas principais aplicações são:
Diafragmas com paredes impermeáveis; Blocos de Fundação; Sistemas Estruturais “Mistos”; Estabilização preventiva do solo para escavação de túneis; Tampões de fundo de escavações; Reforço de pisos industriais; Painel Jetting.
PERFURAÇÃO
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Figura 24 - Processo de perfuração Jet Grouting
VANTAGENS
Aplicabilidade a uma gama extensa de solos que vai desde o cascalho a argilas, permitindo também o tratamento de rochas brandas; A viabilidade da execução do tratamento não é condicionada pela permeabilidade do solo; Possibilidade de tratar solos heterogéneos, através da adaptação dos parâmetros do tratamento a cada um dos solos ao longo do processo; Permite o tratamento de solos a cotas inferiores ao nível freático; A incorporação de colunas de maior resistência, aumentando o confinamento lateral do solo por essas colunas, melhora o comportamento do solo perante uma solicitação sísmica; Equipamento de dimensões reduzidas permite realizar o tratamento em espaços muito pequenos; Possibilidade de obter diversas geometrias; A aplicação da técnica não produz vibrações e produz baixo nível de ruído.
DESVANTAGENS
A elevada dispersão das características mecânicas finais do material, nomeadamente a resistência à compressão, principalmente quando comparado com o betão; Inexistência de um método de medição das dimensões reais da coluna;
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2.2.1.7.
O controlo deficiente da saída de refluxo (mistura de água com partículas finas de solo e algum cimento que sai pela extremidade superior do furo durante a execução da coluna) pode resultar em movimentos do terreno à superfície; Dificuldade de remoção e manejamento do material rejeitado (refluxo); A realização de colunas verticais está limitada a profundidades não superiores a 15 – 20m; A resistência máxima é obtida vários dias após a execução, o que pode ser um problema para alguns tipos de aplicação, contudo pode ser minimizado com aceleradores de presa.
PAREDES DIAFRAGMA
A parede diafragma consiste em se realizar, no subsolo, um muro vertical de profundidades e espessuras variáveis, constituídos de painéis elementares alternados ou sucessivos, e aptos a absorver cargas axiais, empuxos horizontais e momentos fletores. A parede poderá ter função estática ou de interceptação hidráulica, podendo ser constituída de concreto simples ou armado, pré-moldada ou de coulis, conforme o escopo a que se destinar. Utilizada inicialmente na construção de “cut-off” de barragens para interceptação de fluxos de infiltração, passou a ser aplicada na solução de grande número de problemas. A parede moldada "in loco", ou diafragma contínuo, realiza no subsolo um muro vertical de concreto armado de espessura variável de 30 até 120 cm, apto a absorver cargas axiais, empuxos horizontais e momentos fletores, podendo alcançar e superar profundidades superiores a 50m.
Figura 34 - Método Executivo (Parede de diafragma)
PAREDE DIAFRAGMA PLÁSTICA
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A parede diafragma plástica é uma barreira vertical escavada com a utilização de “coulis” (mistura de cimento, bentonita e água), com o objetivo de reduzir a percolação horizontal da água. Para melhorar sua eficiência, a parede deve penetrar na camada de solo impermeável subjacente.
PAREDE DIAFRAGMA PRÉ-MOLDADA
As paredes diafragma pré-moldadas são constituídas por uma série de elementos em concreto armado, preparados em usina ou no próprio canteiro. Esses painéis são dimensionados e armados para responder às solicitações a que serão submetidos.
Figura 35 - Método executivo (Parede de diafragma pré-moldada)
VANTAGENS
Facilidade em adaptar-se à geometria do projeto; Quase total ausência de vibração; Não causar sensíveis descompressões ou modificações no terreno, evitando assim, danos às estruturas existentes; Alcançar profundidades abaixo do nível da água; A possibilidade dos vários painéis fazerem parte da estrutura permanente; Servir como contenção de escavações profundas;
DESVANTAGENS
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2.3.
Elevado custo; Uso de equipamentos sofisticados, de grande porte e de difícil movimentação em áreas urbanas; Técnica sofisticada que exige inspeção cuidadosa na execução; A deposição da lama pode causar problemas em áreas urbanas; Difícil uso em escavações onde existam interferências.
TUBULÕES
Perfuração profunda usada na construção de pontes e viadutos exige atenção à compatibilidade do material de base com a tensão de projeto adotada e a instabilidade do solo. A execução de fundações com tubulões é indicada especialmente para obras com cargas consideradas elevadas (acima de 3 mil kN), - como, por exemplo, pontes, viadutos e prédios de grande porte - para solos com presença de lençol freático e que apresentam riscos de desabamento. As fundações profundas mais simples de execução são os Tubulões a céu aberto que podem ser escavados manual ou mecanicamente. Diferenciam-se das estacas porque em pelo menos em sua etapa final há descida de operário para completar a geometria da escavação ou fazer a limpeza de solo. Os Tubulões dividem-se em dois tipos básico: a céu aberto (normalmente sem revestimento) e a ar comprimido (ou pneumático), estes sempre revestidos, podendo este revestimento ser constituído por camisa de concreto armado ou por camisa de aço (metálica). Neste caso, a camisa metálica pode ser perdida ou recuperada.
TIPOS DE TUBULÕES São classificados de acordo com o processo construtivo:
A céu aberto: escavados manualmente ou mecanicamente com ou sem escoramento lateral; Mecânicos: executados pela cravação de camisa metálica, escavando-se seu interior; Pneumáticos: escavados manualmente abaixo de nível freático com o auxílio da aplicação de uma contra-pressão.
2.3.1. TUBULÃO A CÉU ABERTO
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Os tubulões a céu aberto são elementos estruturais de fundações profundas, de grande porte, com seção circular, que apresentam, em geral, a base alargada e que são executados, como o nome sugere, a céu aberto. São construídos, primeiramente:
Escavando-se, manual ou mecanicamente, um poço revestido ou não por uma camisa de concreto armado ou por camisa metálica; Em seguida alarga-se a base preocupando-se com a posterior limpeza do fundo; Posiciona-se a armação e; Concreta-se o tubulão, com ou sem recuperação do revestimento.
Figura 36 - Sequência de execução de Tubulão a Céu Aberto
2.3.2. TUBULÃO A AR COMPRIMIDO Trata-se de uma fundação profunda, escavada manual ou mecanicamente, em que, pelo menos na sua etapa final, há descida de pessoal para alargamento da base ou limpeza do fundo quando não há base. Neste tipo de fundação as cargas são transmitidas essencialmente pela base a um substrato de maior resistência. Este tipo de solução é empregado sempre que se pretende executar tubulões abaixo do nível d’água em solos que não atendam às condições de J.2. A escavação do fuste destes tubulões é sempre realizada com auxílio de revestimento que pode ser de concreto ou de aço (perdido ou recuperado). Neste método, é instalada uma câmara na parte superior do tubo de concreto, acima do nível da terra, para injeção de ar comprimido no poço. Esse procedimento impede a entrada de água na escavação graças à pressão interna exercida.
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Em qualquer etapa de execução dos tubulões, deve-se atender à legislação trabalhista em vigor para trabalho em ambiente sob ar comprimido (Portaria 3214 do Ministério do Trabalho e Emprego – NR 18).
PERFURAÇÃO
Figura 3725 - Execução de Tubulão a Ar Comprimido
1. Terraplanagem e escavação preliminar
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Antes de executar qualquer fundação é feito um mapeamento geotécnico. Os serviços são iniciados com a terraplenagem do local. Em seguida, é feita uma escavação preliminar, a céu aberto, onde se executa um poço (geralmente entre 1,5 m e 2 m de profundidade) de apoio ao assentamento das fôrmas. As escavações para executar o tubulão podem ser feitas manualmente ou mecanicamente, com um trado mecânico. 2. Instalação das fôrmas e montagem das armaduras No poço primário, é montada uma fôrma circular (metálica ou de madeira) em volta da qual é armada a ferragem do tubulão. Concluída a armação, é instalada uma fôrma circular externa. Os diâmetros variam conforme o projeto. O comprimento desse primeiro segmento costuma ser em torno de 4 m (cerca de metade dentro do poço e metade acima do nível do terreno). 3. Concretagem da primeira sessão É feita a concretagem da camisa (espaço entre as fôrmas interna e externa). Após a concretagem e a cura do concreto, faz-se a desenforma interna e externa. Na extremidade superior da camisa de concreto são fixados chumbadores para acoplar a campânula usada para comprimir o ar. 4. Escavação sob ar comprimido Com o primeiro segmento tubular concretado, é montada a campânula sobre o tubulão em execução. A partir daí, os trabalhos de escavação são feitos sob ar comprimido, avançando normalmente em trechos de 1 m a 1,5 m. A campânula é retirada para concretagem de novos segmentos do tubulão - cada segmento é executado com a mesma composição de armação e de fôrmas internas e externas. A sequência concretagem-escavaçãoconcretagem é repetida até que se atinja a profundidade prevista em projeto ou determinada pela inspeção. 4.1. Campânula de ar comprimido A campânula é composta de várias peças, as quais são presas umas as outras através de parafusos, porcas, arruelas e vedações. Uma vez montada, a câmara é pressurizada com compressores. Ela também tem função de segurança para os profissionais: é pela câmara que os operários passam pelo processo de compressão e descompressão para poderem trabalhar sob ar comprimido. 5. Alargamento da base Ao atingir a cota de assentamento do tubulão, é feita a inspeção do terreno. Caso a exigência (de capacidade de carga, de resistência, entre outros fatores) seja atendida, pode-se então expandir a base. Na maioria dos casos, usa-se base alargada para melhor aproveitamento da capacidade resistente do terreno. Após o alargamento, uma nova vistoria é feita para conferir as dimensões e verificar a armadura da base. Por fim, é feito o preenchimento com concreto, sem remoção da campânula.
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6. Concretagem da base O concreto é introduzido na campânula por meio do "cachimbo" de concretagem. Após o preenchimento da base, a execução do tubulão é encerrada. Ele deve permanecer comprimido durante seis horas após a concretagem da base.
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