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Contiene ejercicios de la carrera de geotecnica
Tipo: Esquemas y mapas conceptuales
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II
Só foi possível desenvolver este trabalho graças ao apoio e colaboração de diversas pessoas e entidades, a quem desejo expressar o meu sincero agradecimento:
Ao meu orientador, Professor Pedro Gameiro Henriques, pela ajuda que me prestou, através dos seus ensinamentos, incentivos e entusiasmo, que se traduziram muitas vezes no sacrifício do seu tempo livre.
Ao Professor Alexandre Pinto, pela amizade, pela inesgotável paciência e por todas as ideias e esclarecimentos que, de forma ímpar, contribuíram para um enriquecimento desta dissertação.
Ao Professor Jaime Santos, pela disponibilidade e pelos conselhos que se revelaram preciosos para a conclusão deste trabalho.
À RODIO, nomeadamente ao Engº Nicolas Kaidussis e ao Engº Pedro Gregório, pela simpatia e pelos dados fornecidos, sem os quais esta dissertação perderia muito do seu valor cientifico.
Finalmente, aos meus amigos e familiares, pela paciência e entusiasmo, indispensáveis ao longo de todo este processo; ao Patrício, ao Pedro e ao meu primo Gonçalo, pela precisa colaboração e ao Cunha pelas longas horas de companhia e boa disposição; à minha irmã Sofia pelo enorme incentivo e preocupação; à minha tia Helena por toda a ajuda e por ser o exemplo que é, fonte de inspiração.
IV
As soluções de fundações podem ser divididas em três grupos: superficiais ou directas, semi- profundas ou semi-directas e profundas ou indirectas.
O que determina a classificação dos vários tipos de fundação é a relação entre a sua profundidade e o seu diâmetro. Diz-se que uma fundação está: no primeiro grupo quando a sua relação é inferior a 4; no segundo grupo quando tem um valor entre 4 e 10; e no terceiro grupo quando é superior a 10.
O objectivo principal das fundações indirectas é a transmissão das cargas estruturais para um estrato firme localizado a uma dada profundidade. A utilização deste tipo de fundação deve efectuar-se quando o solo sob a estrutura: não apresenta capacidade resistente para acomodar fundações superficiais; é muito compressível (assentamentos); a compressibilidade e/ou a distribuição de cargas é variável (assentamentos diferenciais). Quando é necessário resistir a forças horizontais e/ou tracções verticais ou mesmo quando a escavação necessária para atingir o estrato firme não é economicamente viável, as fundações profundas também surgem como solução.
Como principais exemplos de tipos de fundação de cada um dos grupos atrás enunciados, temos para as superficiais as sapatas ou os ensoleiramentos, para as semi-profundas temos os pegões e para as profundas temos as estacas.
Esta dissertação incide apenas sobre os últimos dois grupos de fundações referidos, as semi- profundas e as profundas, tendo como principais objectos de estudo, 4 tipos de solução: poços ou pegões, barretas, micro-estacas e estacas. Em termos gerais, as estacas e as barretas são para grandes profundidades (h/d > 10), pegões são para pequenas profundidades (h/d > 4) e as micro-estacas funcionam por atrito lateral, ou seja, não é absolutamente necessário encontrar solo firme, tornando-se assim na solução que apresenta maior versatilidade.
Fundações semi-directas, fundações profundas ou indirectas, pegões, barretas, micro-estacas, estacas
V
The solutions for foundations can be distinguished between three main groups: shallow (or direct), semi-deep and deep. What determines this distinction is the relationship between the foundation’s depth and its diameter. Objectively, one says the foundation is: in the first group if the relation is inferior to 4; in the second group if between 4 and 10; and in the third if greater than 10.
The main goal of deep foundations is to assure the transmission of the structural weights and loads to a firm platform at a given depth. This type of foundation must be used only when the soil underneath the structure: does not reveal enough resistive capacity to accommodate shallow foundations; is very compressible (settlement); and if the compressibility and/or the weight distribution is variable (differential settlement). If there is a need to resist to horizontal forces and/or vertical tractions and even when the necessary excavation to reach the firm platform is not economically viable, the deep foundations solution can also be employed.
As main examples of the types of foundations previously announced, one has, for the shallow kind, the spread footings or the mat foundations, for the semi-direct the piers and for the indirect the piles. This thesis is mainly focused, however, on the last two of the three abovementioned foundation types: the deep and the semi-depp, being the main study objects 4 types of implementations: piers, barretes, micro-piles and piles.
In general terms, the piles and barrets are used for greater depths (more than 8 meters), piers for smaller depths (less than 6 meters) and micro-piles work through lateral attrition therefore not needing firm ground to support on and thus being the most versatile solution.
Semi-deep foundations, deep foundations, piers, barretes, micro-piles, piles
X
Figura 1.1 – Secções usuais em pegões…………………………………………………………… Figura 1.2 – Exemplo da utilização de pegões (caixões) na Ponte 25 de Abril em Lisboa…… Figura 1.3 – Exemplos de secções transversais de barretas (à esquerda) e barreta na continuação de um pilar (à direita)……………………………………... Figura 1.4 – Exemplo de utilização de micro-estacas sob maciço de fundação………………. Figura 1.5 – Recurso a micro-estacas como elementos de fundação em elementos de grandes dimensões……………………………………………………………….. Figura 1.6 – Em cima: utilização de estacas na continuação de uma sapata; em baixo: esquema de vários métodos para construir estacas…………………. Figura 1.7 – Estacas de ponta………………………………………………………………………. Figura 1.8 – Estacas de ponta e atrito lateral……………………………………………………… Figura 1.9 – Estacas flutuantes……………………………………………………………………… Figura 1.10 – Classificação das estacas quanto ao processo de execução…………………… Figura 1.11 – Tipos de Jet Grouting………………………………………………………………... Figuras 1.12 e 1.13 – Formas correntes de corpos de Jet Grouting……………………………. Figura 1.14 – Colisão de jactos em Jet Grouting (em cima); Incremento da área do corpo formado pelo Jet Grouting devido ao impacto dos jactos……………………….. Figura 1.15 – Efeito “Sombra”………………………………………………………………………. Figura 1.16 – Campos de aplicação de tratamentos de solos…………………………………… Figura 1.17 – Exemplos de aplicações do Jet Grouting………………………………………….. Figura 1.18 – Relação custo / diâmetro da coluna de Jet Grouting……………………………..
Figura 2.1 – Construção de poços através do método de Chicago……………………………... Figura 2.2 – Construção através do método de Gow……………………………………………... Figura 2.3 – Exemplos de plantas de caixões……………………………………………………... Figura 2.4 – Máquina de execução de barretas………………………………………………….. Figura 2.5 – Processo de execução de barretas………………………………………………….. Figura 2.6 – Secção transversal de uma micro-estaca realizada em solo incoerente……….. Figura 2.7 – Máquina perfuradora de rotação (à esquerda) e máquina de roto percussão (à direita)…………………………………………………………….. Figura 2.8 – Esquema do processo construtivo de micro-estacas……………………………… Figura 2.9 – Máquina de ultra-sons que permite averiguar a eventual existência de falhas ou vazios no interior das micro-estacas………………………………… Figura 2.10 – Efeito da cravação da estaca no solo (à esquerda); Máquina bate estacas (à direita)…………………………………………………….. Figura 2.11 – Em cima: equipamento de furacão; em baixo: representação esquemática da execução de estacas por trado contínuo………………………... Figura 2.12 – Esquema de execução de estacas com tubo moldador recuperável
XI
(uma das variantes do sistema Franki)……………………………………………… Figura 2.13 – Esquema da execução de estacas com recurso a trado curto sem tubo moldador……………………………………………………………………. Figura 2.14 – Metodologia de execução de estacas moldadas com tubo perdido……………. Figura 2.15 – Estaca executada sem extracção do terreno (variante do sistema Franki)……. Figura 3.1 – Comportamento dos pegões perante diferentes tipos de solo……………………. Figura 3.2 – Forma como os pegões resistem a acções horizontais vindas da superestrutura…………………………………………………………………………. Figura 3.3 – Capacidade resistente à compressão de barretas (Método de Ferrandi)……….
do ensaio SPT em função do sistema de injecção (válido para argila e silte)….. Figura 3.5 – Cargas actuantes em maciço de encabeçamento de uma estaca………………. Figura 3.6 – Cargas actuantes em maciço de encabeçamento de duas estacas…………….. Figura 3.7 – Esquema sobre o centro de massa de um maciço de encabeçamento de n estacas para auxílio de cálculo das cargas provenientes da superestrutura….. Figura 3.8 – Movimentos horizontais de solos compressíveis…………………………………… Figura 3.9 – Consolidação de solos compressíveis………………………………………………. Figura 3.10 – Expansão volumétrica de solos…………………………………………………….. Figura 3..11 – Superfícies de rotura provocadas pela tracção, compressão e flexão das estacas……………………………………………………………………. Figura 3.12 – Comprimento de estacas e dimensões dos encastramentos mínimos em solos ou no “bed-rock”……………………………………………………………. Figura 3.13 – Regras de pré-dimensionamento em maciços de encabeçamento de estacas.. Figura 3.14 – Esquema de viga simplesmente apoiada para pré-dimensionamento de estacas............................................................................................................. Figura 3.15 – Esquema de secção transversal de viga para pré-dimensionamento de estacas……………………………………………………………………………… Figura 3.16 – Corte transversal em estaca com esquema de forças actuantes………………. Figura 3.17 – Ensaio a estaca à escala real em laboratório…………………………………….. Figura 3.18 – Ensaio de carga tipo estático/dinâmico à escala real……………………………. Figura 3.19 – Esquema para determinação de resistência de ponta numa estaca…………… Figura 3.20 – Esquema para determinação de resistência lateral numa estaca……………… Figura 3.21 – Método do laboratório de Delft para determinação da capacidade de carga de estacas………………………………………………………………….. Figura 3.22 – Exemplo de modelo de cálculo para dimensionamento de uma estaca………. Figura 3.23 – Esquema sobre armaduras a colocar em maciço de encabeçamento de uma estaca………………………………………………………………………… Figura 3.24 – Esquema sobre armaduras a colocar em maciço de encabeçamento de duas estacas………………………………………………………………………. Figura 3.25 – Esquema para determinação de armaduras através modelo de cálculo
XIII
Figura AVII.1 – Maciços de encabeçamento com 4 estacas, pormenorização tipo com armadura de suspensão………………………………………………………………………… Figura AVII.2 – Maciços de encabeçamento com 3 e 4 estacas, pormenorização tipo……… Figura AVII.3 – Maciços de encabeçamento com 5 e 6 estacas, pormenorização tipo……… Figura AVIII.1 – Preços, em média, dos processos associados à execução de alguns dos tipos de fundação referidos……………………………………..
XIV
Quadro 3.1 - Aderência lateral em pegões de betão ............................................................ Quadro 3.2 – Coeficiente de atrito ......................................................................................... Quadro 3.3 – Coeficientes para cálculo da tensão admissível na base das barretas ….. Quando 3.4 – Coeficiente de capacidade penetrométrica para vários tipos de solo ……
Quadro 3.6 – Correlações dos resultados dos ensaios SPT (N) com os do ensaio CPT (Rp ) e as características de resistência dos terrenos ………………….. Quadro 3.7 – Determinação e diâmetro médio da micro-estaca ……………………………. Quadro 3.8 – Armaduras para estacas à compressão ……………………………………….. Quadro 3.9 – Armaduras para maciços de encabeçamento ………………………………… Quadro 4.1 – Influência da distribuição do solo nas fundações …………………………… Quadro 4.2 – Capacidade de carga de diversos tipos de fundação ……………………….. Quadro 4.3 – Influência de tipos de solos, valor e distribuição de cargas em fundações ……………………………………………………………………………..
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Os pegões distinguem-se das estacas pelo modo de execução e pela esbelteza. Normalmente, devido à maior dificuldade de execução, a esbelteza destes elementos está mais limitada do que a das estacas [6]. Estes elementos de fundação são compostos por uma elevada secção transversal, geralmente maior do que 1m 2 e com uma esbelteza reduzida, entre 5 e 8 [10]. A secção é na maioria dos casos circular ou ovalizada mas também pode tomar uma forma rectangular, principalmente nos pegões de maiores dimensões, com hipótese de a base ser alargada. O material que as compõem pode ser madeira, betão simples ou armado ou ainda metal. Utilizam-se quando o solo resistente se encontra a uma profundidade média de 4 a 8 metros em relação ao piso térreo, correspondendo a uma altura dos pegões variando geralmente entre os 3 e os 5 metros.
Figura 1.1 – Secções usuais em pegões
A secção dos pegões é preferencialmente circular pois é a forma mais resistente às pressões exteriores do terreno e da água e em que mais facilmente se consegue evitar escavações desiguais, desvios na cravação e fendas no poço, pois o terreno empurra a fundação uniformemente em todos os sentidos. Como principal inconveniente da secção circular temos a facilidade com que o tubo moldador pode deslocar-se durante o processo de cravação alterando a direcção pretendida. Quando as secções são muito grandes, é preferível utilizar uma forma rectangular, pois esta possibilita executar-se uma divisão em células, definidas por septos que aumentam a rigidez da secção e permitem trabalhar separadamente em cada célula durante o processo de escavação, o que trás vantagens de ordem construtiva. Os
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pegões assim construídos são normalmente designados por caixões e a sua utilização só se justifica na presença de água em movimento, como nos rios. São usados como elementos subestruturais e são totalmente preenchidos com betão para transmitir, através da base, as cargas ao solo subjacente. Na verdade, são soluções pouco utilizadas pois são pouco competitivas em relação aos agrupamentos de estacas, devido aos seus elevados custos. De notar que não se devem usar secções assimétricas pois a sua colocação traz sempre grandes dificuldades [10].
Quanto ao número de poços a realizar numa obra, convém referir que é melhor construir poucos de grandes dimensões do que muitos de pequenas dimensões, essencialmente por duas razões: poços de grande dimensões permitem paredes mais grossas e de maior facilidade construtiva; a distância entre poços é maior e a sua colocação pode realizar-se com mais rigor, pois os moldes tendem a inclinar-se mais facilmente para o lado no qual o solo perdeu resistência devido à existência de um poço contíguo. Por esta razão, o espaçamento mínimo entre poços deve ser de 0,60 metros [10].
No capítulo seguinte, são abordados de forma mais aprofundada os vários métodos possíveis de construir pegões mas convém desde já adiantar que quando o método construtivo é a cravação, este acarreta algumas dificuldades óbvias derivado do grande atrito lateral que se gera e da elevada quantidade de solo que é necessário “esmagar”, pois são elementos com grandes dimensões em planta.
Em Portugal não existe a tradição de usar pegões ou poços talvez devido às muitas dificuldades que estas soluções apresentam, dando-se preferência às estacas. No entanto já se usou esta técnica no nosso país em obras importantes como na Ponte 25 de Abril em Lisboa e na ponte São João no Porto.
É muito importante referir que não se devem usar quando na proximidade existem outras fundações a uma cota superior, devido à perda de pressão lateral no solo que se dá durante o processo de escavação [10].
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brandos onde o substrato rochoso se localiza a grandes profundidades (pode ir até às dezenas de metros) [1].
Ao nível de secção transversal, esta pode tomar as mais variadas formas:
Figura 1.3 – Exemplos de secções transversais de barretas (à esquerda) e barreta na continuação de um pilar (à direita) [1]
As micro-estacas são estacas moldadas de pequeno diâmetro, que variam essencialmente entre os 80 e os 250mm, podendo atingir os 400mm, enquanto que as estacas moldadas convencionais têm sempre diâmetros superiores a 400-500mm. Outras das principais diferenças deste tipo de estacas é ser mais curta e normalmente betonada ín-situ. São cada vez mais utilizadas na consolidação de taludes, em fundações normais ou de tipo especial e principalmente na presença de terrenos difíceis. Esta maior utilização provém de um série de vantagens que estas fundações apresentam em relação às estacas moldadas “normais”, tais como: uma alta capacidade de carga com assentamentos muito reduzidos (podem atingir os 10MPa enquanto que as estacas moldadas convencionais não ultrapassam os 5-6MPa); utilização em áreas muito reduzidas com pouca perturbação do ambiente circundante, em qualquer tipo de terreno e em qualquer direcção espacial pois trabalham tanto à compressão como à tracção [2].
A capacidade de carga varia entre os 200 e os 1000 kN. Podem então resumir-se a estacas de betão armado de fuste contínuo com rugosidades e dotadas de armadura metálica em todo o seu comprimento. A capacidade de carga é ganha essencialmente através da resistência por atrito lateral, pois normalmente quando se recorre a micro-estacas estamos perante um terreno de fracas características. No entanto, a resistência de ponta torna-se significativa aquando da presença de rocha firme. As micro-estacas podem ser executadas em qualquer direcção espacial, sendo assim possível solucionar qualquer acção aplicada ao sistema, recorrendo
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apenas a esforços axiais. Estas permitem um excelente controlo dos assentamentos pois, como já foi referido, funcionam essencialmente por atrito lateral, o que faz com que reajam aos mais pequenos movimentos da superestrutura. As micro-estacas são realizáveis em qualquer tipo de terreno, mesmo naqueles impermeáveis, pois não se baseiam na difusão da mistura no solo.
Para aumentar a capacidade de carga da estaca e reduzir ao mínimo o assentamento, pode utilizar-se uma técnica que consiste na injecção, sob pressão, de calda de cimento com o objectivo de formar um bolbo de selagem na ponta da micro-estaca que a pressiona em direcção à superfície, originando um “atrito negativo” e constituindo assim uma reserva adicional de capacidade de carga [2].
Figura 1.4 – Exemplo de utilização de micro-estacas sob maciço de fundação [2]
Figura 1.5 – Recurso a micro-estacas como elementos de fundação em elementos de grandes dimensões (aeroporto do Funchal) [9]
