Mecânica dos Solos e suas Aplicações - Mecânica das Rochas, Fundações e Obras de Terra - Vol. 2, 7ª edição

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Acidentes ocorridos em grandes obras da engenharia como deslizamentos durante a construção do Canal do Panamá - deixaram clara a percepção inadequada dos princípios de gestão do solo, outrora vigentes na engenharia.Por outro lado, a falta de conhecimento impedia que uma nova direção fosse adotada. Desses desa-os e do aprendizado nasceu uma nova orientação do estudo dos solos, que a 7ª edição de Mecânica dos Solos e Suas Aplicações reúne de forma consistente e atualizada.

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1 Elementos de Mecânica das Rochas

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Capítulo

Elementos de Mecânica das

Rochas

1

� íntese Evolutiva dos Conhecimentos

1.1 S

Geológicos

Como se sabe, a Geologia tem sido definida como a “ciência­que trata da origem, história e estrutura da Terra tal como aparecem registradas nas rochas, bem como do estudo das forças e processos que atuam, mo‑ dificando‑as” (Krynine e Judd). Por isso mesmo, dizia‑se que as rochas

“eram as letras do grandioso livro da Terra”.

Sabe‑se também que a estrutura da Terra é constituída por quatro camadas superpostas, normalmente chamadas de esferas concêntricas

(Quadro 1.1). De fora para dentro, essas camadas de densidades cres‑ centes são assim denominadas: atmosfera (massa gasosa, constituída de ar, que envolve completamente a Terra); hidrosfera (capa líquida descontínua, que cobre vasta porção da crosta terrestre); litosfera ou crosta terrestre (camada sólida, constituída pelas “rochas” e “solos” e demais constituintes, com espessura variável de 40 a 60 km; segundo a predominância dos elementos químicos que a compõem — silício e alumínio — é abreviadamente designada por SIAL, nomenclatura cria‑ da pelo célebre geólogo Sues); e finalmente a endosfera (que consti­tui o núcleo central da Terra, suscetível de ser desdobrada em três cama‑ das, mas que não cabe aqui considerar). Evidentemente essas regiões ou camadas não apresentam limites geométricos ou separação perfeitos.

 

2 Movimento da Água nos Solos

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Capítulo

2

Movimento da Água nos Solos

2.1 Regimes de Escoamento

Preliminarmente recordemos da Hidrologia que as águas da chuva ao caírem na superfície do terreno tomam três destinos: escoamento, infiltração e evaporação, retornando à atmosfera para constituir um novo ciclo hidrológico ou ciclo das águas (Fig. 2.1).

Figura 2.1

Chama‑se coeficiente de deflúvio superficial “run‑off ” a razão entre a chuva que escoa e a chuva que cai. Sobre uma superfície impermeá‑ vel este coeficiente é igual a 1.

Diz‑se lamelar ou laminar o escoamento em que não se cruzam ou interceptam as trajetórias das partículas individuais de um fluido. Em caso contrário, diz‑se turbulento.

Sabe‑se que para o escoamento laminar o número de Reynolds é

NR =

40

vD vD

=

< 2100, h

υ r

Movimento da Água nos Solos  41

com v a velocidade média do escoamento através do tubo de diâmetro interno

D e h, r e υ, respectivamente, a viscosidade dinâmica, a massa específica e a

 

3 Distribuição das Pressões

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Capítulo

3

Distribuição das Pressões

Em muitos problemas, como os relativos ao estudo dos recalques, em‑ puxos de terra e capacidade de carga dos solos, é de particular interesse conhecer a distribuição de pressões (ou tensões) nas várias profundida‑ des abaixo da superfície do terreno.

As pressões existentes nos maciços terrosos decorrem do peso pró‑ prio do solo (pressões virgens) e das cargas estruturais aplicadas

(pressões induzidas), resultantes de fundações, aterros, pavimentos, escavações, etc. Estas últimas comportam duas análises: as pressões de contato e as pressões despertadas no interior do maciço.

A complexidade do real comportamento dos maciços terrosos, de‑ corrente da sua geometria, heterogeneidade, anisotropia e reologia, não permite ainda um tratamento plenamente satisfatório para o cálculo das tensões neles instaladas. Daí as soluções aproximadas, usualmente ado‑ tadas, que se baseiam em modelos técnicos.

A pressão vertical resultante s em um ponto M no interior de um maciço, considerando‑se uma carga aplicada no fundo de uma cava de fundação, será (Fig. 3.1): s 5 (s0 – Ds0) 1 Dsp,

 

4 Empuxos de Terra

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Capítulo

4

Empuxos de Terra

4.1 Generalidades

Entende‑se por empuxo de terra a ação produzida pelo maciço terroso sobre as obras com ele em contato.

A determinação de seu valor é fundamental na análise e projeto de obras como muros de arrimo, cortinas de estacas‑­pranchas, construções de subsolos, encontros de pontes, etc.

O assunto é um dos mais complexos da Mecânica dos Solos. Até hoje nenhuma teoria geral e rigorosa pôde ser elaborada, apesar dos esfor‑

ços de inúmeros pesquisadores e notáveis matemáticos e físicos. Todas as teorias propostas admitem hipóteses simplificadoras mais ou menos discutíveis conforme as condições reais.

As teorias clássicas sobre empuxo de terra foram formuladas por

Coulomb (1773) e Rankine (1856), tendo sido desenvolvidas por Pon‑ celet, Culmann, Rebhann, Krey e, mais modernamente, estudadas e criticadas por Caquot, Ohde, Terzaghi, Brinch Hansen e outros autores.

4.2 Coeficientes de Empuxo

 

5 Condições de Estabilidade dos Muros de Arrimo

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Capítulo

Condições de Estabilidade dos Muros de Arrimo

5

5.1 Muros de Arrimo

A construção de muros de arrimo é o tipo de obra que, com frequência, se apresenta ao engenheiro, particularmente ao engenheiro rodoviário.

A Fig. 5.1 ilustra três exemplos de aplicação.

Figura 5.1

Os muros de sustentação podem ser de gravidade (construídos de alvenaria ou de concreto simples ou ciclópico), de flexão ou de contraforte (em concreto armado), ou, ainda, “muro de fogueira” (crib wall), formado por peças de madeira, de aço ou de concreto armado pré‑mol‑ dado, preenchidos com solos os espaços entre as peças.

Outro tipo de obra de contenção são as estruturas constituídas por uma rede metálica em forma de cesta, e cheia com pedras, chamadas de gabiões (Fig. 5.2).

A partir de 1966 passou a ser desenvolvida a técnica da terra armada, concebida pelo francês H. Vidal e que consiste em reforçar um terra‑ pleno com tiras de aço, capazes de suportar forças de tração importan‑ tes (Fig. 5.3). Algumas vezes esses elementos são corrugados, visando aumentar o atrito entre o solo e a armadura.

 

6 Cortinas de Estacas-Pranchas. Ensecadeiras

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Capítulo

6

Cortinas de

Estacas‑Pranchas.

Ensecadeiras

6.1 Estacas‑Pranchas

As estacas‑pranchas (em inglês sheet‑piles, em francês palplanches) são peças de madeira, concreto armado ou metálicas, que se cravam no terreno, formando por justaposição as cortinas, planas ou curvas, utili‑ zadas em obras de retenção de água ou de terras.

As de madeira são constituídas por pranchões de grande espessura, com a extremidade inferior cortada em forma de cunha de maneira a se encaixarem perfeitamente. O encaixe tipo macho‑fêmea pode ser de seção quadrada, trapezoidal ou triangular; muitas vezes, a união é fei‑ ta simplesmente a meia‑madeira. A Fig. 6.1 representa alguns desses tipos.

Figura 6.1

168

Cortinas de Estacas-Pranchas. Ensecadeiras  169

Na cravação das estacas‑pranchas, a de ranhura deve ser guiada pela de parte saliente; de modo contrário, poderíamos obstruir a parte reentrante, danificando a estaca posterior, ou mesmo impedindo a sua cravação.

 

7 Pressões sobre Galerias e Tubulações Enterradas

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Capítulo

Pressões sobre Galerias e

Tubulações Enterradas

7

Sobre as pressões que atuam em galerias, túneis* através de maciços terrosos e tubulações construídas em valas posteriormente reaterradas, destacaremos apenas alguns aspectos vinculados a determinados con‑ ceitos fundamentais de Mecânica dos Solos.

7.1 Sobre Galerias

Consideremos (Fig. 7.1) uma galeria de seção quadrada, de lado L, construída relativamente à pequena profundidade (H ≤ 4L).

As perturbações inerentes à abertura da galeria, ocasionando, em geral, deformações na parte superior do maciço, fazem aparecer ten‑ sões de cisalhamento ao longo de superfícies de escorregamento, tais como ABC. Desenvolve‑se, assim, o “efeito de arco” (veja‑se Cap. 4)

Figura 7.1

*Na construção do túnel do metrô de São Paulo, além do sistema de trincheira (“cut and cover”), também é empregado o conhecido sistema de couraça (“shield”).

183

184  Capítulo 7 e parte do peso da zona BBCC é transferida para as zonas do maciço que lhe são adjacentes, onde crescem as pressões verticais; sobre o coroamento da galeria, a pressão será então reduzida, como indicado nos diagramas.

 

8 Introdução ao Estudo das Fundações

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Capítulo

Introdução ao Estudo das Fundações

8

8.1 Considerações Iniciais

Chama‑se fundação* a parte de uma estrutura que transmite ao terreno subjacente a carga da obra.

O estudo de toda fundação compreende preliminarmente duas partes essencialmente distintas: a) cálculo das cargas** atuantes sobre a fundação; b) estudo do terreno.

Com esses dados, passa‑se à escolha do tipo de fundação, tendo‑se presente que: a) as cargas da estrutura devem ser transmitidas às camadas de terreno capazes de suportá‑las sem ruptura, segundo a NBR 8681, estado limite último; b) as deformações das camadas de solo subjacentes às fundações de‑ vem ser compatíveis com as da estrutura, segundo a NBR 8681, es‑ tado limite de utilização; c) a execução das fundações não deve causar danos às estruturas vizi‑ nhas; d) ao lado do aspecto técnico, a escolha do tipo de fundação deve aten‑ tar também para o aspecto econômico.

Finalmente, segue‑se o detalhamento e dimensionamento, estudan‑ do‑se a fundação como elemento estrutural.

 

9 Capacidade de Carga dos Solos

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Capítulo

Capacidade de Carga dos Solos

9

9.1 Considerações Iniciais

O problema da determinação da capacidade de carga dos solos é dos mais importantes para o engenheiro.

No que se segue, vamos nos referir às fundações superficiais em que a profundidade da fundação é menor ou igual à sua largura.

Quando uma carga proveniente de uma fundação é aplicada ao solo, este se deforma e a fundação recalca, como sabemos. Quanto maior a carga, maiores os recalques. Como indicado na Fig. 9.1, para pequenas cargas os recalques são aproximadamente proporcionais.

Das duas curvas pressões‑recalques mostradas, observa‑se que uma delas apresenta uma bem definida pressão de ruptura pr, que, atingida, os recalques tornam‑se incessantes. Este caso, designado por ruptura generalizada, corresponde aos solos pouco compressíveis (compactos ou rijos). A curva mostra que os recalques continuam crescendo com o aumento das pressões, porém não evidencia, como anteriormente, uma pressão de ruptura; esta será então arbitrada (pr′) em função de um re‑ calque máximo (r ′) especificado. Nesse caso, denominado ruptura localizada, enquadram‑se os solos muito compressíveis (fofos ou moles).

 

10 Fundações Superficiais

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Capítulo

Fundações Superficiais

10

Estudaremos, sumariamente, neste capítulo, os princípios gerais de cál‑ culo dos blocos, sapatas, vigas e placas de fundação.

No que se refere à distribuição das pressões de contato, adotaremos as hipóteses usualmente consideradas.

10.1 Blocos

No caso de blocos alongados ou corridos (Fig. 10.1), a teoria matemá‑ tica da elasticidade nos mostra que, considerando um estado duplo de tensão, o valor máximo da tensão de tração se verifica na face inferior do bloco e é igual a: s t ,máx =

p

, tg b

−1 b

com p = P/bl, sendo l o comprimento do bloco e os demais símbolos como indicados na figura.

Assim, não haverá necessidade de armar um bloco sempre que st,máx for inferior à tensão de tração admissível (σt) para o material empre‑

Figura 10.1

231

232  Capítulo 10 gado, o que importa dizer que o ângulo b deverá ser maior que o valor dado pela equação: tgb p

= +1, b st

 

11 Rebaixamento do Nível d’Água

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Capítulo

11

Rebaixamento do Nível d’Água

11.1 Considerações Iniciais

Nas instalações de redes subterrâneas e no preparo do terreno para exe‑ cução de fundações (edifícios, pontes, barragens etc.), ocorre com fre‑ quência a presença do nível d’água acima da cota em que estas obras deverão ser construídas. Ora, a presença da água nas cavas de fundação, como é óbvio, apresenta vários inconvenientes, pois não só dificulta ou mesmo impossibilita o trabalho como, por outro lado, modifica o equi‑ líbrio das terras, provocando a instabilidade do fundo da escavação e o desmoronamento dos taludes.

A presença de água obriga, ainda, a que as escavações tenham esco‑ ramentos mais cuidadosos, uma vez que os empuxos a serem resistidos são maiores.

Daí a necessidade de ser eliminada ou reduzida a água existente no terreno, acima da cota do fundo da escavação, justificando‑se assim o interesse pelo estudo dos processos de drenagem e rebaixamento do lençol d’água.

 

12 Escavações e Escoramentos

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Capítulo

12

Escavações e Escoramentos

12.1 Generalidades

Na execução de fundações e de obras públicas subterrâneas — metrôs, galerias, tubulações enterradas, subsolos de edifícios, obras enterra‑ das para estacionamento de veículos etc. — é frequente a execução de

­escavações de solos e/ou rochas a céu aberto. Tal método construti‑ vo está sendo adotado, apenas para exemplificar, no metrô do Rio de

­Janeiro e em trechos do paulistano. Ele consiste na abertura de uma vala devidamente escorada ou ancorada, com vistas também à prote‑

ção dos prédios vizinhos. Em inglês, esse sistema é conhecido por cut and cover.

Dentre os aspectos geotécnicos envolvidos em trabalhos dessa natu‑ reza — tudo dependendo fundamentalmente das propriedades dos solos e/ou das rochas, das condições do nível d’água, da forma e dimensões das escavações, do espaço disponível e da situação das fundações vi‑ zinhas, em se tratando de núcleos urbanos — destacaríamos o escora‑ mento das paredes das valas.

 

13 Estacas

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Capítulo

13

Estacas

13.1 Generalidades

As estacas* são peças alongadas, cilíndricas ou prismáticas que se cra‑ vam ou se confeccionam no solo, com as seguintes utilizações: a) transmissão de cargas a camadas profundas do terreno; b) contenção dos empuxos de terras ou de água (“estacas‑pranchas”;

Cap. 6); c) compactação de terrenos.

Em geral, as estacas indicadas em (a) recebem da obra que elas su‑ portam “esforços axiais de compressão”. A estes esforços elas resistem, seja pelo atrito das paredes laterais da estaca contra o terreno, seja pelas reações exercidas pelo terreno sobre a ponta. Têm‑se, assim, as chama‑ das resistências de atrito lateral e de ponta.

Conforme a estaca resista apenas pelo atrito lateral ou pela ponta, ela

é denominada flutuante ou estaca carregada de ponta.

A Fig. 13.1 ilustra as definições dadas: em (a) a capacidade resistente da estaca se compõe das duas parcelas: atrito e ponta; em (b) a estaca

é carregada na ponta, trabalhando como coluna; em (c) ela resiste pelo atrito lateral: é a estaca flutuante (pieux flottants, em francês e friction piles, em inglês).

 

14 Tubulões e Caixões. Infraestrutura

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Capítulo

14

Tubulões e Caixões.

Infraestrutura

14.1 Tubulões

Os tubulões são fundações construídas “concretando‑se um poço aberto no terreno ou fazendo descer, por escavação interna, um tubo, geral‑ mente de concreto armado ou de aço, que é posteriormente cheio com concreto simples ou armado. No caso de revestimento com tubo metá‑ lico, este poderá, ou não, ser recuperado”.

14.2 Tubulões a Céu Aberto

O tipo mais elementar de tubulão é aquele que resulta de um simples poço perfurado manualmente e a céu aberto. A sua técnica de execu‑

ção dispensa explicações. O seu emprego é limitado a solos coesivos e acima do nível d’água.

No chamado sistema Chicago (Fig. 14.1), a escavação é feita a pá, em etapas, cuja profundidade varia de 0,5 m para argilas moles até aproxi‑ madamente 2 m para argilas rijas. Escoradas as paredes com pranchas verticais de madeira, ajustadas por meio de anéis de aço, escava‑se nova etapa e, assim, prossegue‑se.

 

15 Fundações de Pontes

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Capítulo

15

Fundações de Pontes

15.1 Introdução

No estudo e projeto das fundações de pontes,* temos a considerar, no caso mais geral, as fundações dos pilares, dos encontros e os aterros de acesso.

Neste capítulo, vamos tecer algumas considerações sobre a erosão do rio, no que interessa às fundações das pontes.

Alertam os especialistas e comprovam os acidentes que o solapamento das fundações de pontes é um dos mais frequentes e sérios perigos contra a estabilidade da obra. Trata‑se, infelizmente, de um fenômeno geralmente difícil de ser evitado. Somente demorados e acurados es‑

*Em 4/3/1974 foi inaugurada a Ponte Rio‑Niterói, uma das maiores estruturas do mundo.

Ela tem 13,9 km de extensão, 26 m de largura e alturas máxima e mínima sobre o nível do mar, respectivamente, de 72 m e 60 m. Foi construída em concreto protendido e sobre o canal na‑ vegável — com um vão central de 300 m e dois vãos laterais de 200 m — em estrutura metálica.

 

16 Fundações de Máquinas

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Capítulo

16

Fundações de Máquinas

16.1 Generalidades

O aspecto característico do problema das fundações de máquinas e que o diferencia do das demais fundações é dado pelas ações dinâmicas exercidas pelas massas em movimento.

A fundação, que pode ser superficial ou profunda, deve resistir por si mesma e transmitir ao terreno os esforços estáticos e dinâmicos pro­ venientes da máquina.

As fundações de máquinas são executadas, hoje, quase que exclu­ sivamente em concreto armado. O tipo e a forma dessas fundações,

­assim como os seus detalhes construtivos, são muito variados, depen­ dendo da natureza e do tipo da máquina, bem como da constituição do solo.

Com o objetivo de melhorar as condições de estabilidade das funda­

ções e impedir a propagação das vibrações, que se traduzem por trepi­ dações e ruídos das máquinas às obras vizinhas, através do solo de fun­ dação, recorre‑se geralmente ao emprego de camadas amortecedoras, que assim circunscrevem as vibrações aos próprios domínios da máqui­ na. O material usado para esse fim deve ser elástico, firme, duradouro e dotado de bastante resistência. Empregam‑se frequentemente o aço (em forma de molas cilíndricas), borracha, cortiça, feltro, betume, chapas de chumbo e amianto, amortecedores a óleo, compostos gelatinosos etc.

 

17 Recalques

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Capítulo

17

Recalques

17.1 Tipos de Recalques

Um dos problemas fundamentais na engenharia de fundações consiste em determinar os recalques de uma construção.

Podemos distinguir três tipos de recalques devidos a cargas estáticas: por deformação elástica, escoamento lateral e adensamento.

Os recalques por deformação elástica decorrem de um fenômeno geral: todo material se deforma quando carregado. São “imediatos” à aplicação da carga e predominam nos solos não coesivos.

Os recalques por escoamento lateral originam‑se de um desloca‑ mento das partículas do solo das zonas mais carregadas para as menos solicitadas. Verificam‑se de maneira mais acentuada nos solos não coe­ sivos sob fundações rasas.

Em geral, os dois tipos de recalques ocorrem simultaneamente, pre‑ ponderando em determinadas condições um ou outro.

A Fig. 17.1 representa esquematicamente os dois tipos de recalques; por compressão (am) e por escoamento (ma9) resultante do desloca‑ mento horizontal das verticais mb que passam a adotar a forma a9cb.

 

18 Estabilização de Maciços

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Capítulo

Estabilização de Maciços

18

Em sua acepção mais geral, o termo estabilização designa qualquer processo ou tratamento capaz de melhorar a estabilidade de um maciço terroso ou rochoso.

Ainda que os motivos e os processos de estabilização sejam os mais diversos (veja‑se Capítulos 20 e 21), vamos nos referir aqui apenas às injeções e ao congelamento do solo, que alguns autores englobam nos chamados processos de consolidação.

18.1 Injeções

As injeções se propõem a melhorar as características dos maciços

­terrosos e rochosos, nos seus aspectos de resistência e impermeabi‑ lização. A origem desse processo é atribuída ao engenheiro francês

Berigny e sua primeira aplicação remonta a 1802. Atualmente é vasto o campo de suas aplicações, permitindo soluções técnica e economica‑ mente interessantes.

É de se notar que esses trabalhos, por sua própria natureza, exigem um permanente controle durante sua execução. Só assim pode‑se ga‑ rantir seus resultados e evitar surpresas desastrosas. Sobre os tipos de injeção corretamente empregados, daremos uma breve notícia.

 

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