Atrito Negativo em Estacas Cravadas em Solos Moles

Figura 1 – Caso típico de estacas arrancadas de seus blocos devido ao atrito negativo.

O atrito negativo manifesta-se quando o solo sofre um recalque maior do que a estaca. É definido “negativo”, porque atua ao longo do fuste, com direção para baixo, gerando forças adicionais na estaca. De acordo com Velloso e Lopes, “O caso mais importante e frequente é quando estacas atravessam aterro recente lançado sobre camada de argila mole. A argila mole, em processo de adensamento, sofre recalques, e o atrito negativo desenvolve-se ao longo das camadas do aterro e da própria argila mole.”

Figura 2 – Atrito negativo ocorre quando o terreno, entorno da estaca, apresenta recalque maior que a estaca.

A Figura 2 mostra a principal causa do atrito negativo, ou seja, quando há deslocamento relativo entre solo e estaca. Nota-se que o atrito negativo atua sob a forma de tensões de cisalhamento ao longo do fuste, com direção para baixo até uma determinada profundidade. Existe, na verdade, um “ponto neutro”, onde solo e estaca sofrem recalques com mesma magnitude. Abaixo deste ponto, haverá atrito positivo, pois o recalque do solo é menor que o da estaca.
Quando há atrito negativo o solo, que envolve a estaca, transfere parte do seu peso para a estaca, sofrendo redução na tensão efetiva (Figura 2.c). Ou seja, o solo “fica pendurado”, e, como consequência, há diminuição da tensão vertical na camada competente, reduzindo-se a capacidade de carga para sua ponta.

Figura 3 – A execução de espessos aterros sobre depósitos de solos moles promovem o atrito negativo.

O atrito negativo pode ser interpretado como uma sobrecarga adicional, ou seja, ele atua em conjunto com as cargas aplicadas no topo da estaca, conforme mostrado na Figura 4, atuando como força de arraste para baixo, produzindo esforço normal adicional na estaca (Fn). Desta forma, a solicitação ao longo da estaca e em sua ponta, torna-se maior, gerando recalques adicionais na fundação, podendo-se ultrapassar, em teoria, a capacidade de carga para a ponta ou a resistência à compressão da estaca (seja por compressão ou por flambagem).

Figura 4 – Alta densidade de estacas executadas sobre aterro apoiado em solos moles: probabilidade de problemas. O Geoenrijecimento é a melhor solução.

 

Figura 5 – Diagrama do esforço normal na estaca com presença ou não do atrito negativo.

A tabela, a seguir, apresenta casos em que torna-se necessário prever o atrito negativo:

A força de arraste sua estaca, devido ao atrito negativo, é calculada de forma semelhante à resistência lateral por atrito lateral, dada por:

Onde:
– Qn = força de arraste devido ao atrito negativo
– τa = adesão lateral
– C = perímetro da estaca
– L = espessura da camada mole

Figura 6 – Execução do Geoenrijecimento em região próxima ao pilar de modo a restituir a condição do solo para o estaqueamento.

A adesão lateral depende, essencialmente, da resistência do solo e da tensão horizontal na interface solo-estaca. Para solos argilosos, por exemplo, a adesão depende da resistência não drenada, calculando-se como τa = αsu .

Métodos para reduzir o atrito negativo

A solução ideal para evitar o atrito negativo considerando-se, por exemplo, pequenas cargas como as existentes em empreendimentos logísticos, ou seja, da ordem de 5ton/m2, é o melhoramento do solo com Geoenrijecimento. Muitas vezes o atrito negativo é tão elevado que torna-se interessante utilizar recursos para reduzi-lo, diminuindo a adesão lateral entre estaca e solo. Apresentamos, abaixo, os principais métodos:
1. Pintura da estaca com betumes especiais
2. Criação de uma película de lama bentonítica em torno da estaca
3. Cravação com ponta alargada
4. Melhoramento do solo abaixo e entorno da estaca.

É importante que o revestimento betuminoso não seja levado até a ponta da estaca, pois seu trecho inferior responde pela capacidade de carga e não deve ser pintado.
A cravação da estaca, com ponta alargada serve, além de aumentar sua capacidade, para desestruturar completamente o solo ao redor, objetivando-se obter adesão lateral reduzida.

Melhora-se o solo em torno da ponta da estaca, sem afetar seu puncionamento. Neste método, a lança do grouting deve ser posicionada segundo um triângulo equilátero, na profundidade desejada.

Figura 9 – Cálculo geométrico do volume necessário e espaçamento entre pontos do melhoramento do solo. O resultado é o geoenrijecimento do solo na ponta da estaca.

O volume de projeto é calculado com base em considerações geométricas, visando alargar a ponta com área suficiente para garantir a capacidade de carga necessária. Esta área é considerada somando-se as três áreas dos círculos obtidos, julgando-se o raio do bulbo com forma esférica. Os círculos devem sobrepor-se, interceptando-se no centro da estaca, conforme mostrado na Figura 8. No cálculo da área, devem-se deduzir as sobreposições. O espaçamento para o melhoramento do solo corresponde à distância entre os centros dos círculos, dispostos segundo um triângulo equilátero.

Caso de obra

Escavações dentro de obras, frequentemente, provocam alívio de tensões na massa de solo considerada, induzindo-se recalques e movimentação em elementos de fundação existentes. Esta situação, típica, ocorreu num empreendimento logístico na zona oeste do Rio de Janeiro.

Figura 10 – A alta densidade de estaqueamento em empreendimentos logísticos, invariavelmente sobre solos moles, dá margem à surgência de atrito negativo.

Os pilares da estrutura do galpão sofreram recalques (de 65 a 75 mm) após a escavação de um poço, com mais de 11m de profundidade, junto a estacas existentes. Para resolver este problema, optou-se pelo melhoramento do solo, como corretivo para reestabelecer a parcela do atrito lateral prejudicada pela escavação.

Figura 11 – Geoenrijecimento do solo com Compaction Grouting abaixo da ponta das estacas, inclusive renivelando-as.

Por se tratar de galpão com pé-direito limitado a 8m, executou-se melhoramento do solo com equipamento diminuto, particularmente adequado às condições do local. Executou-se pré-furos, junto às estacas a fim de, posteriormente consolidar o solo, com geoenrijecimento, tornando-o homogêneo, rígido e compacto. Melhorou-se excepcionalmente a interação solo/estrutura, certificando-se todo o trabalho com controle geotécnico com pressiômetro e piezômetros.

Figura 12 – Execução de pré-furos para acesso ao solo de fundação sob a ponta das estacas.

Com base em análise pressiométrica, houve melhoria geotécnica significativa no solo melhorado, aumentando-se sua capacidade de carga, grau de compactação e seu nível de rigidez.

Eng M. Sc. Alessandro Cirone

Eng M. Sc. Alessandro Cirone

Engenheiro civil, formado pelo renomado Centro Universitário Politécnico de Milão, pós-graduado pela mesma instituição, especializando-se na área de solos moles, com intercâmbio na Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro - PUC-Rio. É titular do setor de projetos, monitoramento, pesquisa e desenvolvimento da Engegraut, empresa com mais de 40 anos, especializada em técnicas de melhoramento de solos, que atua em todo o Brasil. Tem trabalhos publicados sobre melhoramento de solos moles em congressos nacionais e internacionais. Periodicamente apresenta palestras sobre modelagem e cálculo do geoenrijecimento de solos moles.

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