Cravação de estacas em solos moles não é moleza

1. INTRODUÇÃO

Em se tratando de cravação de estacas pré-fabricadas de concreto, há de se ter em mente que, embora se faça menção de que esse processo também possa ser feito por prensagem ou por vibração, na prática isso costuma ser feito por percussão, por meio da aplicação de sucessivos golpes de um martelo, caracterizado por uma massa pré-definida que se deixa cair sucessivamente de uma determinada altura pré-estabelecida, sobre o topo das estacas em processo de cravação. Obviamente que tal procedimento é bastante traumático e sempre induz às estacas de forma repetitiva, elevadas tensões que não raras as vezes lhes provocam a ruptura. Dizer que estacas pré-fabricadas de concreto não se quebram durante o processo de cravação não é verdade. A questão crucial está no estabelecimento de critérios confiáveis que permitam aos diversos profissionais envolvidos com a execução da obra, avaliar de forma ética, coerente e sensata tal assunto. Incoerente seria pensar que um produto préfabricado de concreto que será cravado à percussão nos mais variados perfis geotécnicos e, com os mais diversos tipos de equipamentos, não possa apresentar, em determinadas circunstâncias, problemas quanto à sua instalação como elemento de fundação. Enfim, estacas pré-fabricadas de concreto se quebram e isso é facilmente comprovado técnica e operacionalmente, independente da empresa que as fabrique, sejam elas armadas ou protendidas, vibradas ou centrifugadas. Inúmeros são os fatores possíveis que podem estar associados à eventual causa de qualquer ruptura de uma estaca pré-fabricada de concreto durante o processo de cravação por percussão, porém esses fatores podem ser agrupados de tal forma a permitir sua análise de forma isolada. Assim sendo, teríamos:

• 1. Fatores associados às características dos solos onde as estacas serão cravadas;
• 2. Fatores associados às características e qualidade do concreto usado na fabricação das estacas;
• 3. Fatores associados a deficiências do controle de qualidade durante a fabricação das estacas;
• 4. Fatores associados ao sistema de cravação e acessórios adotados para a cravação das estacas;
• 5. Fatores associados aos critérios adotados para controle e acompanhamento das cravações;
• 6. Fatores associados à geometria da seção transversal das estacas.

Se analisarmos essa situação sob o aspecto estatístico, verificaremos alguns tópicos interessantes. Obviamente quando se comenta que a avaliação a ser feita tem por base elementos obtidos e interpretados de forma estatística, nos referimos a um determinado número substancial de estacas, que seja expressivo e possa formar um conjunto de dados passiveis de serem representativos para análises conclusivas. Imaginemos uma obra composta por 10 (dez) estacas (uma guarita ou uma caixa d’água, por exemplo) onde haja a infelicidade de ocorrer uma única quebra durante o processo de cravação.

Nesse caso, há de se ter o bom senso de admitir que embora a porcentagem de quebras ocorrida (10%) seja exageradamente expressiva, não deve servir para embasar conclusão negativa e de forma genérica sobre a solução de fundação adotada. A figura 1 (Gonçalves et.al. - 2010) apresentada a seguir, ajudará na análise dessa tal situação.

 

Observando o diagrama apresentado na figura 1 (Gonçalves et.al. - 2020), nota-se que de uma forma geral, admitir que possa haver durante o processo de cravação de estacas pré-fabricadas de concreto uma margem de quebras situada entre 2% e 4% parece ser bastante razoável e representativa da grande parte das obras executadas. Vale salientar que devem estar inclusas nesta avaliação as eventuais quebras de cabeças de estacas, independentemente de haver ou não a posterior condenação quanto à adoção dessas estacas como elementos de fundação. Quando a margem de quebras de estacas em uma determinada obra aproxima-se de 5%, faz-se prudente atentar que medidas imediatas devam ser tomadas, no intuito de analisar suas causas prováveis. Nesses casos, deve-se efetuar reunião conjunta, na obra, entre o cliente, o executor e o projetista para a tomada imediata de medidas corretivas. Importante observar, que no início do estaqueamento de qualquer obra, o índice de estacas que venham a sofrer quebras pode ser superior a 5% (situação essa que posteriormente acaba se ajustando no decorrer do estaqueamento), pois nessa fase ainda não há total familiarização com as condições de cravação especificas de cada perfil geotécnico e, justamente quando da cravação das estacas provas, estas são mais exigidas durante o processo de cravação. Ao contrário, quando a margem de quebras de estacas em uma determinada obra aproxima-se de 1%, certamente deve-se desconfiar que algo esteja errado no controle efetuado em campo. Valores inferiores a 1% são diretamente proporcionais à probabilidade de ocorrência de problemas sérios no futuro, problemas esses decorrentes de total falta de controle operacional durante a execução da obra, tais como a não observância de que estacas foram mal cravadas e até mesmo que estacas quebradas foram admitidas como satisfatórias. Não é intenção deste trabalho, o aprofundamento na análise de todas a eventuais causas prováveis que possam estar associadas às quebras de estacas pré-fabricadas de concreto durante a fase de cravação por percussão, limitando-se apenas a fatores associados à sua cravação em solos moles e, por consequência, de baixa resistência.

2. INSTABILIDADE DINÃMICA DIRECIONAL (DRAPEJAMENTO)

Um problema crônico que ocorre com relativa frequência durante o processo de cravação de estacas em solos moles é o drapejamento, ou instabilidade dinâmica direcional. Esse problema decorre da vibração da ponta das estacas durante o processo de cravação, quando em deslocamento excessivo em extensas camadas de argila muito mole, que por consequência, causalhes desalinhamento em relação ao seu eixo longitudinal, ou até mesmo sua rotação (torção). O drapejamento ou instabilidade dinâmica direcional pode levar a grandes curvaturas do eixo longitudinal de estacas cravadas em solos moles, desviando-o substancialmente da vertical.

Esse fenômeno é inevitável e de difícil quantificação na fase de projeto e, conforme já citado, ocasiona a perda de direção da ponta da estaca, decorrente de sua vibração, durante a transposição das camadas de solos moles. Isso ocorre, uma vez que as ondas de compressão provocadas pelos impactos do martelo no topo das estacas, ao chegarem à sua ponta, geram ondas de tração, pois não encontram resistência para se refletirem compressivamente. Obviamente que, estando a ponta em processo de deslocamento elevado, com vibração acentuada e transpondo camadas de solos muito moles, a ocorrência de desalinhamento de sua ponta em relação ao seu eixo longitudinal é bastante provável. Esse assunto foi estudado inicialmente por BURGESS (1976-1980) e, posteriormente por AOKI E ALONSO (1988) E FLEMING et al. (1992).

 

 

O ábaco apresentado anteriormente (BURGESS – 1980) permite avaliar o risco de ocorrer drapejamento durante a cravação de uma estaca (figura 2). Para estacas perfeitamente retilíneas, as curvaturas deverão ocorrer abaixo de uma determinada profundidade critica (Lc), que é dada por:

 

Onde:

• ➢ β = Coeficiente que depende da relação entre a carga de ponta e a carga total, decrescente entre 40 e 20, à medida que
• a relação Qp/Q passa de zero para 1,0.
• ➢ E I = Rigidez Transversal da Estaca
• ➢ C = Coesão da argila mole.
• ➢ D = Diâmetro da estaca.

Segundo AOKI E ALONSO (1988), o ponto fundamental a ser observado para que a estaca resista ao drapejamento, é a garantia da continuidade e resistência adequada dos elementos emendados que constituem a estaca. Do estudo realizado por AOKI E ALONSO (1988), pode-se concluir ainda que o limite de inclinação de 1% fixado pela NBR-6122 (Projeto e Execução de Fundações – Procedimento) parece aplicar-se aparentemente a estacas cuja relação L/D não ultrapasse 40 (L/D < 40). Há de se registrar ainda que, a ABNT NBR 6122/2022 (Projeto e Execução de Fundações) no item 8.6.5.1 (Pág. 36) estabelece alguns limites de características de estacas para quando existem camadas de argilas de baixa resistência. A saber:

8.6.5.1 Efeito de camada de argila mole

 

No caso de ocorrência de camada de argila mole, devem ser utilizadas estacas com características estruturais mínimas em função dos comprimentos cravados, considerados a espessura da camada de argila mole, o processo de cravação, a inércia do elemento, o número de emendas, a linearidade do eixo e os momentos de segunda ordem, obedecendo a:

• a) Menor momento resistente da sua seção transversal → Wmin ≥ 930 cm3 ;
• b) Estacas com comprimentos entre 20 e 30 metros → Raio de Giração (i) ≥ 5,4 cm;
• c) Estacas com comprimentos acima de 30 metros → Raio de Giração (i) ≥ 6,4 cm;

Os menores momentos resistentes para as seções transversais das estacas, citados nesta subseção, pretendem reduzir a possibilidade de ocorrência de instabilidade dinâmica direcional (drapejamento) durante a cravação dessas estacas através de camadas de argila mole.

Estudos realizados por CHAN E HANNA (1979) relataram que existem muito poucos elementos técnicos disponíveis na literatura sobre esse assunto, principalmente registros de provas de carga estáticas executadas em estacas com este problema. Relatam ainda alguns estudos realizados, onde foram medidos desvios cuja relação ente a horizontal e o comprimento variam entre 5,1% e 18,3%, sendo que os comprimentos das estacas estudadas se situavam ente 12 e 60 metros.

Embora a prática diária tenha demonstrado que dificilmente possam ocorrer esforços de torção em estacas pré-fabricadas de concreto, em algumas situações de manuseio dos segmentos até a torre do bate estaca isso pode ocorrer e, também, como citado na discussão sobre drapejamento ou instabilidade dinâmica direcional. O processo de cravação de estacas longas em solos de baixa resistência provoca instabilidade direcional da ponta das estacas que, por sua vez, movimentam-se caoticamente, por vezes retorcendo-se. Esse fenômeno provoca inúmeras tensões em toda a extensão das estacas, inclusive tensões de torção. Para que se possa verificar a ocorrência de torção durante o processo de cravação de uma estaca, deve-se marcar com tinta, um ponto (A) referencial no topo ou na face de seu segmento e, ao ser cravado, deve-se observar o giro desse ponto ocorrido em relação ao referencial adotado inicialmente (Figura 3).

 

Assim sendo, formar-se-á um ângulo de giro (AA’= β), o qual pode ser calculado da seguinte forma:

 

As tensões tangenciais na estaca (τ) provenientes dessa torção provocada pelo drapejamento (instabilidade dinâmica direcional) serão dadas da seguinte forma:

Onde:

• ➢ T = Momento Torçor aplicado;
• ➢ L = Comprimento da estaca;
• ➢ G = Módulo de Elasticidade Transversal da Estaca;
• ➢ Ip = Momento Polar de Inércia.

 

As tensões tangenciais na estaca (τ) provenientes dessa torção provocada pelo drapejamento (instabilidade dinâmica direcional) serão dadas da seguinte forma: 

 

Onde Wp é o Momento Polar Resistente da estaca

elo exposto, podemos avaliar que, no tocante à resistência a torção eventualmente ocorrida durante o processo de cravação de estacas em solos moles, as estacas vazadas apresentam melhor desempenho que as correspondentes maciças, desde que tenham a mesma área de seção transversal. A figura 4 apresentada a seguir, mostra o aspecto de algumas estacas cuja ruptura aparentemente encontra-se caracterizada por rotação do fuste durante o processo de cravação por percussão.

 

O perfil geotécnico apresentado na figura 5 é bastante representativo das condições onde tais problemas habitualmente ocorrem. As setas azuis representam, as tensões transversais que surgem quando da tentativa de ultrapassar a camada de areia compacta situada na parte superior. Uma vez ultrapassada essa camada, surgem tensões de tração (representadas pela seta em vermelho) e, em determinadas casos, também instabilidade dinâmica direcional da ponta da estaca (representado em verde), o que, causa torção e também tensões transversais (cisalhamento) às estacas.

 

 

3. TENSÕES DE TRAÇÃO DURANTE O PROCESSO DE CRAVAÇÃO

Cravar estacas pré-fabricadas de concreto em solos compostos por argilas moles ou que apresentam extensas camadas com essas características parece, à primeira vista aos mais incautos, uma verdadeira tentação à produção, pois estacas cravadas em solos com resistência muito baixa tendem a deslocar-se com facilidade e, assim sendo, deveriam cravar-se com igual facilidade, possibilitando assim a cravação de várias estacas em um único dia. Grande engano, principalmente quando intercaladas às camadas de argilas moles existirem camadas de areia de maior resistência. Ocorre que, ao atravessarem as camadas de areia, as pontas das estacas tendem a deslocar-se com rapidez, pois se encontram em argila mole e, a parte do fuste que ainda se encontra transpondo a camada de areia, tende a ficar presa e deslocar-se com mais dificuldade se comparada à ponta. Assim sendo, ocorrem elevadas tensões de tração nas estacas, rompendo-as com muita facilidade e, quase sempre sem percepção do operador dos bate estacas. A figura 6 ilustra o comentado.

A solução mais sensata e de bom senso para resolução desse problema consiste basicamente em procurar ajustar o sistema de cravação, de tal forma a permitir ser possível amenizar a magnitude das tensões de tração que são geradas nesse tipo condição geotécnica. Para tornar isso possível, deve-se raciocinar que ao serem aplicados os golpes do martelo do bate-estaca sobre o topo das estacas em processo de cravação, geram-se ondas provenientes do efeito desses impactos e, essas ondas trafegam por toda a extensão das estacas até sua ponta. Lá chegando, deparam-se com solos moles e sem resistência, não encontrando assim resistência para se refletirem em compressão, novamente de volta ao topo das estacas em processo de cravação. Se a ponta se encontra, naquele determinado instante transpondo uma camada muito mole, tende a descer e, assim sendo, faz com que as ondas provenientes dos impactos do martelo, não encontrando resistência reflitam em tração, ou seja, acompanham o movimento da ponta em detrimento de parte do fuste que se encontra com maior dificuldade de deslocar-se por se encontrar ainda transpondo uma camada mais resistente situada logo acima. Em outras palavras, a região próxima à ponta das estacas tende a deslocar-se para baixo e, parte do fuste situada mais acima, tende a não acompanhar esse movimento com a mesma velocidade. Obviamente que nesses casos, haverá em algum momento a ruptura do fuste das estacas por tração. A minimização desses esforços deve contar basicamente com três fatores: cepos e coxins de boa qualidade, martelos com massa elevada e alturas de queda bastante reduzidas.

 Associando esses três elementos, e incorporando a eles a paciência operacional necessária nesta situação, pois a produção diária de estacas deve ser relevada a uma condição menos prioritária que cravá-las adequadamente, certamente haverá o ajuste do nível de tensões de tal forma a possibilitar a cravação das estacas de forma a tornar gerenciável o índice de quebras dentro de um valor aceitável. A figura 7 apresenta de forma ilustrativa um cepo torneado de boa qualidade, o aspecto de um coxim igualmente bom e um sistema de cravação bastante adequado a esse tipo de cravações.

Vale aqui salientar que não é tarefa muito fácil determinar, durante a fase de elaboração do projeto, a intensidade dos esforços de tração que ocorrerão durante cravação das estacas. É possível se prever a ocorrência de tais esforços, mas saber sua intensidade real é quase impossível. Uma alternativa interessante para a resolução de tal problema consiste na aplicação da Teoria da Equação de Onda, por meio dos ensaios de carregamento dinâmicos em algumas estacas-piloto durante as suas cravações, com o auxílio de um analisador de cravação de estacas (PDA® - Pile Driving Analyzer), que fornece ainda alguns dados valiosos, tais como:

• ➢ Carga mobilizada durante a cravação;
• ➢ Valores máximos de velocidade e deslocamento;
• ➢ Quantificação de tensões de tração e compressão decorrentes dos golpes aplicados;
• ➢ Distribuição da resistência por atrito lateral e ponta;
• ➢ Verificação da presença e localização de eventuais danos estruturais.

As tensões atuantes nas estacas durante a cravação podem atingir valores muito elevados em alguns pontos da estaca, não propriamente na seção onde estão instalados os sensores.

No caso de estacas de concreto, os valores elevados das tensões de tração preocupam mais do que os valores das tensões de compressão e, a magnitude e a posição de sua ocorrência dependem do perfil geotécnico do subsolo e da maneira como estão sendo cravadas as estacas.

Analisando-se os sinais de força e velocidade, obtidos no ensaio de carregamento dinâmico, é possível proceder-se à verificação da ocorrência desses esforços, sua posição e magnitude.

Uma onda de tração surge como reflexão da força de impacto, uma vez insuficiente a resistência oposta para equilibrá-la, e essa onda de tração é minimizada pela superposição de uma parte da onda de compressão que ainda estar se propagando pelo fuste da estaca, no sentido inverso.

4. MECÂNICA BÁSICA DA ONDA

Inicialmente suponhamos uma estaca que será carregada em uma extremidade por uma força F decorrente do impacto do martelo no topo da mesma, no tempo t. No primeiro instante todas as partículas ainda estão em repouso, como se encontra representado fisicamente na figura 8 a seguir:

 

Em um curto espaço de tempo dt, depois do impacto do martelo no topo da estaca, seu primeiro elemento dl é comprimido, ocasionando sua deformação (Figura 9). Essa deformação gera, num tempo posterior, uma força de compressão que age no elemento seguinte, que é comprimido e se deforma, deformando também os elementos subsequentes. Esse efeito em cadeia dos elementos da estaca que se deformam pela ação da força F gera uma onda de compressão que se propaga com uma velocidade C.

 

 

Devido à compressão da estaca, o ponto A move-se para a posição A' de uma distância dd. A deformação pode então ser calculada como segue:

A mudança da velocidade dv da partícula quando se desloca para o ponto A' é a deformação dividida pelo incremento de tempo durante o qual ela ocorre, portanto pela equação 1 tem-se:

 

Observa-se que a velocidade de onda C é função das propriedades do material da estaca. Dessa forma, pode-se dizer que:

➢ A velocidade de onda é a velocidade com que as zonas de compressão ou tração se movem ao longo da estaca.

➢ A velocidade da partícula é a velocidade com que a partícula se move quando a onda se propaga.

Considere novamente uma estaca carregada, com uma onda propagando-se à velocidade C (Figura 9). Da equação (2), sabese que força dividida por área é tensão e que a divisão da tensão pelo módulo de elasticidade resulta na deformação. Assim tem-se:

A estaca impõe uma resistência, conhecida como impedância, à mudança de velocidade das partículas, que pode ser representada das seguintes formas:

Onde m e l são respectivamente a massa e o comprimento da estaca.

Ordenando-se matematicamente as considerações até aqui efetuadas, obtém-se uma solução geral da equação unidimensional da onda. Tal equação é obtida pelo equilíbrio dinâmico de um segmento da estaca em qualquer instante (Figura 10):

A solução geral da equação diferencial parcial de 2ª ordem que representa o deslocamento u de uma partícula, situada a uma distância x do topo da estaca, depois de decorrido um tempo t da aplicação do golpe do martelo é, pelo método de D’Alembert, da forma: u(x,t)= f (x−ct)+ g(x+ct)

As duas funções f e g arbitradas correspondem a duas ondas se propagando com a mesma velocidade C, mas em direções contrárias (Figura 11 e 12). No tempo t:

➢ u(x t)= f (x −ct)+ g(x +ct)

 

No tempo t+dt → (posterior):

Assim, observa-se que as ondas f e g apenas se deslocam em direções opostas no tempo, sem mudar de forma.

5. ANALOGIA COM AS ESTACAS

Aplicando-se as conclusões até aqui obtidas ao momento do impacto do martelo na cravação de estacas e supondo-se que não haja resistência do solo na ponta da estaca, pode-se ter a situação ilustrada na figura 13.

O impacto do martelo no topo da estaca provoca uma onda descendente compressiva (+). Depois de um intervalo de tempo L/c (onde L é o comprimento da estaca), a onda de impacto chega à base da estaca, ocorrendo aí um desequilíbrio, visto que a extremidade da estaca se encontra livre, permitindo que a onda se reflita. Nesse caso, nesse ponto, a força é muito próxima de zero, gerando, então, uma onda ascendente de tração (-), em outras palavras, as ondas compressivas, ao chegarem à base da estaca, não encontrando um "anteparo" (resistência) que as reflitam compressivamente, tenderão a sair da base da estaca, puxando-a para baixo (como se fosse um elástico), refletindo-se como esforços de tração.

A figura 14 a seguir ilustra um dano ocasionado por esforço de tração ocorrido durante a cravação de uma estaca, observandose a sua intensidade e localização. Nota-se um abrupto aumento da velocidade de propagação da onda, à medida que os golpes do martelo foram desferidos, sem que tenha ocorrido o correspondente aumento da força medida, o que significa que a onda, ao se propagar pela estaca, encontrou um "vazio" (ruptura, dano) aumentando sua velocidade de propagação nessa seção.

 

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS E DE APOIO

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