INTRODUÇÃO AO DIMENSIONAMENTO DE FUNDAÇÃO COM USO DO CPT
(Cone Penetration Test)
O presente trabalho tem objetivo principal de apresentar alguns conceitos básicos de CPT, um breve histórico dos ensaios de cone e orientações básicas para o dimensionamento de fundações.
O trabalho foi organizado através de tradução e compilação de diversos artigos, citados na bibliografia.
O ensaio de cone conhecido como cone holandês, ou também chamado de ensaio de penetração estática, foi criado na década de 30, (cone mecânico) no laboratório de Mecânica dos Solos de Delft, na Holanda. Dois equipamentos foram desenvolvidos: o primeiro (Barentsen, 1936) com a finalidade de obter dados sobre a consistência dos depósitos aluviais existente na parte oeste da Holanda, para estudos de implantação de estradas; o segundo (Laboratory of soil Machanics, Delft, 1936) tinha o objetivo de obter dados para o projeto de fundação em estaca, mais especificadamente dados sobre camadas arenosas - subjacentes aos depósitos aluviais mencionadas anteriormente, onde se assentavam as estacas das construções Holandesas. (Caso dos nossos solos litorâneos).
É importante salientar, portanto, uma característica fundamental do ensaio, a de que desde o começo haviam diferentes objetivos quanto à sua utilização: - obtenção de parâmetros geotécnicos,(densidade, angulo de atrito interno e coesão) - correlação direta com o comportamento de estacas ( o cone representa a miniatura de uma estaca ) e um terceiro, - a classificação e estratigrafia dos solos incorporou-se aos dois primeiros, a partir sobretudo do trabalho clássico de Begemann ( 1965).
Posteriormente houve o desenvolvimento de piezocones(CPTU), que nada mais são do que cones com sensores eletro-eletrônicos para medir também a poro-pressão.
2 - ENSAIOS DE CPT (CONE PENETRATION TEST)
A Solo Sondagem e Construções Ltda, traz ao Brasil o que existe de mais moderno no mercado mundial . Trata-se de um cone mecânico com aquisição de dados através de cartão digital acoplável a microcomputador tipo notebook para o processamento de dados.
O ensaio CPT consiste na cravação estática lenta do cone com coleta de dados a cada 20 cm, cravado por um penetrômetro hidráulico.
O cone utilizado apresenta luva de atrito de 150 cm2 de área com 36 mm de diâmetro e ponta cônica com ângulo de 60º e 10 cm2 de área, atendendo às especificações das normas nacionais e internacionais ( NBR - 12069\ ISSMFE - 89).
O ensaio CPT consiste na medição da resistência do solo à penetração estática da ponta cônica (qc), o atrito lateral local ao longo da luva de atrito (fs), a relação de atrito, muito usada para classificação estratigráfica (Fr), e ainda nos casos de piezocones mede-se a poro-pressão que é a pressão neutra desenvolvida durante a penetração do cone.
(Dimensão em mm)
Fig. 1 - Ponteira mecânica (Begemann) com luva de atrito lateral
3 - RECOMENDAÇÕES PARA PROJETO DE FUNDAÇÃO COM CPT
3.1 - Engenharia de Fundações
Existem básicamente dois métodos principais para aplicação dos dados do CPT em projetos geotécnicos:
i. Uso dos dados do CPT para avaliação de parâmetros do solo; areias - o ângulo de atrito, a densidade relativa; argilas - resistência não drenada ao cisalhamento e módulo de elasticidade não-drenado.
ii. Uso direto da resistência de ponta qc do CPT para projeto de fundações (correlações).
Muitas das primeiras utilizações dos dados de CPT em projetos geotécnicos se realizaram através de aplicações diretas ao dimensionamento de estacas. Esta abordagem apresentava a vantagem de se basear na experiência de campo. Desta forma, tais métodos, quando aplicados a situações similares podem produzir resultados seguros. Nos anos recentes, os métodos de projeto baseados diretamente no CPT tem sido desenvolvidos com vista a outras aplicações , tais como fundações rasas e potencialidade de liquefação de solos arenosos. Os métodos diretos são particularmente vantajosos em solos granulares.
A avaliação dos parâmetros do solo pode ser útil para projeto em casos onde o nível de experiência seja baixo, sendo então indispensável uma análise mais acurada.
No Brasil muitos engenheiros geotécnicos têm desenvolvido experiência nos projetos de fundação com base na relação direta com dados de SPT ( Standard Penetration Test). Com o advento do CPT, muitos engenheiros sentiam-se mais confortáveis em converter os dados do CPT para os valores SPT, lançando mão então dos métodos de projeto existentes, baseados no SPT.
3.2 - Fundações Diretas (Sapatas e Radiers)
3.2.1 - Fundações Diretas sobre Areia
O critério de recalque, antes mesmo do critério de ruptura é que em geral norteia o projeto, exceto quando se trata de fundações estreitas ( < 1m) sobre areia fofa.
Uma rápida estimativa dos recalques de fundações diretas sobre areia pode ser obtida diretamente de qc através da relação empírica: (Meyerhof)
S recalque.
q carregamento distribuido sobre a fundação.
B menor dimensão da fundação direta.
qc valor médio da resistência de ponta do cone, dentro do bulbo de pressões (1,5 a 2B)
A tensão admissível para o projeto de sapatas pode ser estimada com base nos valores de resistência de ponta qc (MPa), medidos no ensaio de penetração estática do cone:
Fig. 2 - Projeto de Fundações Diretas. (Sobre areia)
qa Tensão admissível.
Expressão válida para solos com qc > 1,5 MPa
O valor da tensão admissível estimada deverá ser limitada a 0,4 MPa.
O valor de qc será o médio estimado dentro da profundidade do bulbo de tensões da sapata ( 1,5 a 2,0 B ).
Não se adotará uma solução de fundação por sapatas no caso de solos porosos e/ou colapsíveis, cuja quebra de estrutura poderá levar a recalques consideráveis da fundação. Da mesma forma, a fundação direta não será apoiada sobre aterros em geral, os quais, freqüentemente, contêm matéria estranha como restos orgânicos, entulho, etc.
Pressupõem-se que abaixo da cota de apoio das sapatas, não ocorram solos com características inferiores às da camada de suporte. Na hipótese de ocorrer uma camada menos resistente, será necessário verificar se as tensões propagadas pelas sapatas ao topo da camada são compatíveis com a mesma.
3.2.2 - Fundações Diretas sobre Argila
Os dois principais cálculos para fundações rasas em argilas estão relacionados à estabilidade e aos recalques. A estabilidade é avaliada para os cálculos de capacidade de carga utilizando-se como referencia a resistência da argila. O recalque é estimado a partir da compressibilidade da argila.
Fig. 3 - Projeto de Fundações Diretas. (Sobre argila)
qa Tensão admissível
Expressão válida para solos com qc > 1,5 Mpa.
O valor de qc será o médio estimado dentro da profundidade do bulbo de tensões da sapata (1,5 a 2,0 B).
3.2.3 - Fundações Profundas (Estacas)
A determinação da capacidade de carga de fundações por estacas a partir do CPT é uma das principais aplicações deste método.
qp tensão-limite de ruptura de ponta.
qs tensão-limite de ruptura de atrito lateral.
Ap área da ponta.
As área lateral.
3.2.3.1 - Método Aoki-Velloso com Uso do CPT
qp = qcp / F1
qs = qcs / F2
F1 = 1,75
F2 = 3,5 Sendo o coeficiente estabelecido por BEGEMANN para correlacionar o atrito local do cone com a ponteira BEGEMANN com a tensão de ponta (qc)
O valor de qcp (MPa) poderá ser calculado como a média dos valores numa região 3 diâmetro abaixo da ponta da estaca.
O valor de qcs (MPa) poderá ser calculado como a média dos valores ao longo do fuste da estaca.
3.2.3.2- Método dos Franceses
O Método de Philipponnat
qp = p . qcp p é um coeficiente função do tipo de solo.
O valor de qcp a ser considerado é a média dos valores numa região três diâmetros abaixo e acima da ponta da estaca
qs = f . qcs/ s O valor de qcs poderá ser calculado como a média dos valores ao longo do fuste da estaca.
areia qc < 08 MPa
8 < qc < 12 MPa
qc > 12 MPa
qs máximo (KPa)
concreto pré-moldada, Franki,
concreto escavada D<1,5m
escavada D>1,5m
metálica perfil H ou Y
considerar perímetro esterno
3.2.3.3 - Recalques de Estacas
Ainda que a instalação de estacas mude as características de deformação e compressibilidade da massa de solo circundante, tal influência se estende a uma distancia equivalente a poucos diâmetros abaixo da ponta da estaca. Meyerhof (1976) sugeriu que o recalque total de um grupo de estacas sob um carregamento de projeto seguro (não excedendo 1/3 da capacidade última do grupo) pode ser estimado, assumindo-se uma fundação equivalente.
Para um grupo de estacas com uma determinada resistência, a fundação equivalente é assumida para atuar sobre o solo numa profundidade efetiva de 2/3 do engaste da estaca.
Meyerhof sugeriu a seguinte relação para a estimativa do recalque de grupos de estacas em areia:
qc é a média dos qc da zona de adensamento
B é a largura do grupo de estacas
q é o carregamento distribuido sobre a fundação
I é o fator de influência
D' é o engastamento efetivo
Esta expressão é uma extensão da relação de Meyerhof para fundações rasas em areia.
Se a espessura de areia sob a profundidade efetiva for menor que a largura da fundação (B), poder-se-á reduzir o recalque estimado para uma variação aproximadamente linear com a espessura da camada.
No caso de ser a areia sobre-consolidada, a relação anterior considerará um recalque superetimado.
O recalque de um grupo de estacas em uma camada de argila é estimada a partir do Eu (módulo de elasticidade não-drenado) e das propriedades de consolidação (mv) da argila e tratando a fundação como uma fundação equivalente a vista anteriormente para um grupo de estacas em areia. A razão de recalque para grupos de estacas em argila é controlada pelo coeficiente de consolidação do depósito, de maneira similar à fundação rasa.
3.2.3.4. - Atrito Lateral Negativo
O atrito lateral negativo raramente representa um problema de resistência, pois é freqüentemente reconhecido como um problema de recalque. A magnitude da sucção não influencia a capacidade de carregamento da estaca. Exceções dizem respeito a carregamentos últimos de estacas instaladas em argilas muito resistentes sobre rocha onde um atrito negativo muito elevado pode causar danos à estaca. Em geral, uma estaca de grande rigidez, de elevada capacidade poderá propiciar uma grande sucção, mas pequenos recalques; já uma estaca pouco rígida, de baixa capacidade, presenciará uma sucção baixa, mas recalques altos.
4 - Ensaio de Palheta (Vane Test)
O ensaio de palheta tem por objetivo determinar a resistência não drenada (Su) do solo in situ, normalizado no Brasil pela NBR 10905/89 e nos Estados Unidos o procedimento é normalizado pela ASTM D2573-08. O ensaio consiste na cravação de palheta cruciforme onde é aplicado o torque para cisalhar o solo por rotação. Com base no torque medido é utilizada a seguinte equação para determinação da resistência não drenada:
Su = 0,86 (M - A)
πD³
M = Torque máximo medido (Nm)
A = Atrito medido (Nm)
O equipamento utilizado é o modelo elétrico da Geotech, conforme figura abaixo:
Fig. 4 - Equipamento Vane Elétrico Geotech
As palhetas têm as seguinte dimensões 6,5cm de diâmetro por 13cm de comprimento.
ASTM - 3441 (1988) - Standard Test Method for Deep, Quasi-Static, Cone and Friction - Cone Penetration Tests of Soil.
MB - 3406 (1991) - Ensaio de Penetração de Cone in Situ (CPT).
Fundações Teoria e Prática (1998) - Vários autores - Pini 2ª Ed. - São Paulo.
Almeida M.S. (1996) - Aterros sobre solos moles: da concepção à avaliação do desempenho. Rio de Janeiro, UFRJ.
Rogério, P.R.G. (1984) - Cálculo de Fundações Através do Ensaio DEEP - Sounding - Editado pelo autor.