Análise experimental do comportamento de estacas carregadas lateralmente em um solo residual

O dimensionamento de fundações almeja caminhar para análises em termos de Estado Limite de Serviço, ou seja, prevendo o comportamento dos deslocamentos. De acordo com a ASTM D3966 (2013), ensaios de campo apresentam a mais confiável relação entre carregamento lateral aplicado à uma estaca, e o movimento lateral resultante. Assim, é objetivado a derivação do mecanismo de transferência de carga do sistema estaca-solo, permitindo assim compreender-se como ocorre a reação do solo nesta situação de interação entre solo e estrutura. Para tal, foi realizado uma campanha de ensaios de carregamento lateral em estacas metálicas, onde previu-se variações de diâmetro (150-300 mm), comprimento (2-4 m) e forma da seção transversal. O efeito de forma da seção transversal da estaca foi estudado através da variação entre forma circular, perfil H e quadrada, todas com mesma dimensão nominal e mesma rigidez. Todas as estacas foram instrumentadas com 10 pares de extensômetros, os quais permitiram a leitura de deformações flexurais, através das quais pôde-se derivar dos resultados dos ensaios a distribuição da resistência lateral ao longo do comprimento da estaca, permitindo assim, estabelecer-se de forma confiável, relações de transferência de carga para um dado conjunto de estaca-solo. Com os resultados dos ensaios, derivou-se curvas p-y para cada ensaio. Os resultados em termos do efeito de forma da seção transversal mostraram um comportamento superior para a estaca de seção circular entre as formas estudadas, sendo que para um deslocamento de topo de ≈25 mm, conseguiu-se mobilizar cargas 13% e 23% superiores as estacas de seção perfil H e quadrada respectivamente. Através das curvas p-y derivadas para as estacas de seção circular, realizou-se previsões do comportamento de estacas escavadas previamente ensaiadas no mesmo campo experimental. Os resultados das previsões mostraram variações menores que 15% em relação ao medido. Propõe-se assim, que a execução prévia de um ensaio de carregamento lateral em uma estaca de pequeno porte instrumentada, seja realizada com maior frequência e encarada como etapa de investigação de solo.Foundation design aims to develop analysis of serviceability limit state, whereas displacement behavior is predicted. According to ASTM D3966 (2013), field load tests present the most reliable relation between loading applied to a pile and its lateral movement. Therefore, it is the object of the research, the derivation of the load transfer mechanism of the pile-soil system, allowing to understand how the soil reaction develops in this soil-structure interaction problem. A field lateral loading campaign was developed, using steel piles with variation on its diameter (150-300 mm), length (2-4m) and shape of the cross-section. The shape effect of the cross-section was studied through variations of circular, H profile, and square shapes, using the same nominal dimension and same stiffness. Every pile was instrumented with 10 pairs of strain gauges, which have allowed the reading of flexural strains, throughout enabled the derivation of the soil lateral reaction along the length of the pile, and in a reliable way, to establish the load transfer mechanism of the pile-soil system. Based on the test results, p-y curves were derived for each test. Cross-section shape effect results have shown a superior behavior for circular cross-section, whereas for a top displacement of ≈25 mm, it was possible to mobilize 13% and 23% more loading in comparison to H profile and square section respectively. Using the derived p-y curves, predictions of previously tested bored piles, executed in the same site, were developed. Results have shown variations smaller than 15% between measured and calculated. Finally, it is proposed that the execution of a small-scale instrumented pile, to be used more frequently and being considered as soil investigation stage

Stabilised soil layers enhancing performance of transverse-loaded flexible piles on lightly bonded residual soils

A set of crosswise-loaded flexible piles was tested in binder stabilised top sand layers embedded in lightly bonded residual soil. Slope indicators were used to measure horizontal displacements in free-headed flexible piles during all loading stages. The geometry of the cement stabilised top sand layer surrounding the piles varied from about 2 to 4 times the pile diameter and 0.1 to 0.3 times the pile length. Experimental outcomes present an important enhancement in the performance of the flexible piles under transverse load when a cement stabilised sand layer replaces top residual soil, increasing bearing capacity and reducing maximum horizontal displacements at any given working load. At large horizontal displacements (close to failure), a linear relation is observed between the lateral load and the total lateral area compressing the natural soil around the pile. This evidence helps identifying the pile-soil interaction mechanism and provides sound normalization for test results, both considered necessary steps towards the development of a design concept for predicting lateral pile response

Efeito de grupo em estacas carregadas transversalmente associadas a solos melhorados

O conjunto estaca-solo submetido a carregamentos horizontais é caracterizado por um comportamento não-linear. A propagação das tensões no solo próximo à estaca decai rapidamente em função do espaçamento, porém para estacas próximas, caracterizando um grupo de estacas, pode haver uma sobreposição de tensões, gerando zonas com tensões elevadas, que formam áreas de plastificação maiores. A interação da sobreposição destas zonas plastificadas, resultam em maiores deformações para o grupo de estacas, ante comparadas com o equivalente de soma da capacidade individual de cada estaca (Chaudhry, 1994). Deste comportamento, deriva-se o chamado efeito de grupo, que age como um redutor da eficiência total das estacas. Através de modelos numéricos tridimensionais, avaliou-se o efeito de espaçamento entre estacas em solo natural, onde fatores de eficiência do grupo foram propostos. O comportamento de estacas carregadas lateralmente é conhecido por ter seu comportamento diretamente relacionado com as características da parte superior do solo. Recomendações feitas há mais de 30 anos já lidavam com este comportamento {e.g. Simons eMenzies (1975); Broms (1972)}, e tratavam com soluções que melhoravam a capacidade de carga lateral, com a substituição da parte superior do solo por um material mais rígido. Embora estas soluções melhorassem a capacidade de carga lateral, a técnica reflete uma prática de substituição de material. Neste trabalho, uma técnica de melhoramento de solo, lidando com areia cimentada é apresentada, estudando numericamente o comportamento de grupos de estacas submetidos a carregamentos laterais. As conclusões apontam fatores de eficiência próximos a unidade em espaçamentos superiores a 6 diâmetros, porém com a tendência a inexistir somente em espaçamentos superiores a 10 diâmetros. A inserção da camada de solo cimento no topo do grupo de estaca, mostrou uma expressiva melhora de seu comportamento, eliminando por total a perda de eficiência devido ao efeito de grupo.The soil-pile set when subjected to lateral loads is characterized by a non-linear behavior. The stress distribution on the soil near the pile decays rapidly in magnitude with radial distance, but for closely spaced piles within a group, these yielded zones of the soil around individual piles overlap, forming larger yielded zones in the soil surrounding the pile group. The interaction arising due to overlapping of these yielded zones results in a larger deflection for the group of piles before the lateral resistance equivalent to that for a single pile (Chaudhry, 1994). Based on this behavior, the group effect is derived, which acts as a reducer of the piles efficiency. Through tridimensional numerical models, the effects of the pile spacing in natural soil were evaluated, and group efficiency factors had been proposed. The behavior of laterally loaded piles is well known to be straightly related to characteristics of the upper part of the soil. Recommendations of over 30 years in past already dealt with this behavior {e.g. Simons and Menzies (1975); Broms (1972)}, and treated with solutions that improved the lateral resistance, by substituting the upper part of the soil with a more rigid material. Besides those solutions improved the lateral resistance, the technique reflects a practice of material replacement. Here, a ground improvement technique, dealing with cemented sand is presented, studying numerically the behavior of piles subjected to lateral forces. Conclusions shows group efficiency factors close to unity on spacing larger than 6 diameters, but tending to disappear only on spacing larger than 10 diameters. The insertion of a soil cement layer on the top of the pile group has shown an expressive improvement on its behavior, eliminating the loss of efficiency due to the group effect

Análise experimental do comportamento de estacas carregadas lateralmente em um solo residual

O dimensionamento de fundações almeja caminhar para análises em termos de Estado Limite de Serviço, ou seja, prevendo o comportamento dos deslocamentos. De acordo com a ASTM D3966 (2013), ensaios de campo apresentam a mais confiável relação entre carregamento lateral aplicado à uma estaca, e o movimento lateral resultante. Assim, é objetivado a derivação do mecanismo de transferência de carga do sistema estaca-solo, permitindo assim compreender-se como ocorre a reação do solo nesta situação de interação entre solo e estrutura. Para tal, foi realizado uma campanha de ensaios de carregamento lateral em estacas metálicas, onde previu-se variações de diâmetro (150-300 mm), comprimento (2-4 m) e forma da seção transversal. O efeito de forma da seção transversal da estaca foi estudado através da variação entre forma circular, perfil H e quadrada, todas com mesma dimensão nominal e mesma rigidez. Todas as estacas foram instrumentadas com 10 pares de extensômetros, os quais permitiram a leitura de deformações flexurais, através das quais pôde-se derivar dos resultados dos ensaios a distribuição da resistência lateral ao longo do comprimento da estaca, permitindo assim, estabelecer-se de forma confiável, relações de transferência de carga para um dado conjunto de estaca-solo. Com os resultados dos ensaios, derivou-se curvas p-y para cada ensaio. Os resultados em termos do efeito de forma da seção transversal mostraram um comportamento superior para a estaca de seção circular entre as formas estudadas, sendo que para um deslocamento de topo de ≈25 mm, conseguiu-se mobilizar cargas 13% e 23% superiores as estacas de seção perfil H e quadrada respectivamente. Através das curvas p-y derivadas para as estacas de seção circular, realizou-se previsões do comportamento de estacas escavadas previamente ensaiadas no mesmo campo experimental. Os resultados das previsões mostraram variações menores que 15% em relação ao medido. Propõe-se assim, que a execução prévia de um ensaio de carregamento lateral em uma estaca de pequeno porte instrumentada, seja realizada com maior frequência e encarada como etapa de investigação de solo.Foundation design aims to develop analysis of serviceability limit state, whereas displacement behavior is predicted. According to ASTM D3966 (2013), field load tests present the most reliable relation between loading applied to a pile and its lateral movement. Therefore, it is the object of the research, the derivation of the load transfer mechanism of the pile-soil system, allowing to understand how the soil reaction develops in this soil-structure interaction problem. A field lateral loading campaign was developed, using steel piles with variation on its diameter (150-300 mm), length (2-4m) and shape of the cross-section. The shape effect of the cross-section was studied through variations of circular, H profile, and square shapes, using the same nominal dimension and same stiffness. Every pile was instrumented with 10 pairs of strain gauges, which have allowed the reading of flexural strains, throughout enabled the derivation of the soil lateral reaction along the length of the pile, and in a reliable way, to establish the load transfer mechanism of the pile-soil system. Based on the test results, p-y curves were derived for each test. Cross-section shape effect results have shown a superior behavior for circular cross-section, whereas for a top displacement of ≈25 mm, it was possible to mobilize 13% and 23% more loading in comparison to H profile and square section respectively. Using the derived p-y curves, predictions of previously tested bored piles, executed in the same site, were developed. Results have shown variations smaller than 15% between measured and calculated. Finally, it is proposed that the execution of a small-scale instrumented pile, to be used more frequently and being considered as soil investigation stage

Efeito de grupo em estacas carregadas transversalmente associadas a solos melhorados

O conjunto estaca-solo submetido a carregamentos horizontais é caracterizado por um comportamento não-linear. A propagação das tensões no solo próximo à estaca decai rapidamente em função do espaçamento, porém para estacas próximas, caracterizando um grupo de estacas, pode haver uma sobreposição de tensões, gerando zonas com tensões elevadas, que formam áreas de plastificação maiores. A interação da sobreposição destas zonas plastificadas, resultam em maiores deformações para o grupo de estacas, ante comparadas com o equivalente de soma da capacidade individual de cada estaca (Chaudhry, 1994). Deste comportamento, deriva-se o chamado efeito de grupo, que age como um redutor da eficiência total das estacas. Através de modelos numéricos tridimensionais, avaliou-se o efeito de espaçamento entre estacas em solo natural, onde fatores de eficiência do grupo foram propostos. O comportamento de estacas carregadas lateralmente é conhecido por ter seu comportamento diretamente relacionado com as características da parte superior do solo. Recomendações feitas há mais de 30 anos já lidavam com este comportamento {e.g. Simons eMenzies (1975); Broms (1972)}, e tratavam com soluções que melhoravam a capacidade de carga lateral, com a substituição da parte superior do solo por um material mais rígido. Embora estas soluções melhorassem a capacidade de carga lateral, a técnica reflete uma prática de substituição de material. Neste trabalho, uma técnica de melhoramento de solo, lidando com areia cimentada é apresentada, estudando numericamente o comportamento de grupos de estacas submetidos a carregamentos laterais. As conclusões apontam fatores de eficiência próximos a unidade em espaçamentos superiores a 6 diâmetros, porém com a tendência a inexistir somente em espaçamentos superiores a 10 diâmetros. A inserção da camada de solo cimento no topo do grupo de estaca, mostrou uma expressiva melhora de seu comportamento, eliminando por total a perda de eficiência devido ao efeito de grupo.The soil-pile set when subjected to lateral loads is characterized by a non-linear behavior. The stress distribution on the soil near the pile decays rapidly in magnitude with radial distance, but for closely spaced piles within a group, these yielded zones of the soil around individual piles overlap, forming larger yielded zones in the soil surrounding the pile group. The interaction arising due to overlapping of these yielded zones results in a larger deflection for the group of piles before the lateral resistance equivalent to that for a single pile (Chaudhry, 1994). Based on this behavior, the group effect is derived, which acts as a reducer of the piles efficiency. Through tridimensional numerical models, the effects of the pile spacing in natural soil were evaluated, and group efficiency factors had been proposed. The behavior of laterally loaded piles is well known to be straightly related to characteristics of the upper part of the soil. Recommendations of over 30 years in past already dealt with this behavior {e.g. Simons and Menzies (1975); Broms (1972)}, and treated with solutions that improved the lateral resistance, by substituting the upper part of the soil with a more rigid material. Besides those solutions improved the lateral resistance, the technique reflects a practice of material replacement. Here, a ground improvement technique, dealing with cemented sand is presented, studying numerically the behavior of piles subjected to lateral forces. Conclusions shows group efficiency factors close to unity on spacing larger than 6 diameters, but tending to disappear only on spacing larger than 10 diameters. The insertion of a soil cement layer on the top of the pile group has shown an expressive improvement on its behavior, eliminating the loss of efficiency due to the group effect