Capacidade de carga de fundações sobre solos reforçados por colunas submetidas a solicitações inclinadas

Abstract

O dimensionamento de fundações apoiadas sobre solos reforçados por colunas representa um desafio devido à natureza composta do mesmo e à grande quantidade de inclusões envolvidas no processo de reforço. Do ponto de vista do cálculo da capacidade de carga, as metodologias de dimensionamento propostas na literatura tratam ou de cálculos empíricos, ou de cálculos analíticos para carregamentos puramente verticais, ou utilizam o método de elementos finitos através de análises elasto-plásticas incrementais. No presente trabalho estuda-se, através da análise limite, a capacidade de carga de fundações superficiais apoiadas sobre solos argilosos reforçados por colunas submetidas a cargas inclinadas. Assim, este trabalho constitui uma primeira referência em analisar o efeito do reforço no diagrama de interação que relaciona às componentes da carga. Inicialmente, realizou-se uma análise em estado plano de deformação para um solo reforçado por uma coluna isolada. Foram construídos campos de tensões lineares por trecho, estaticamente admissíveis e que satisfazem o critério de resistência, determinando limites inferiores da capacidade de carga. Trata-se da abordagem estática da análise limite. Na sequência, através da utilização de mecanismos de ruptura cinematicamente admissíveis, foram encontrados limites superiores da capacidade de carga. Trata-se da abordagem cinemática da análise limite. A construção de ábacos permitiu realizar um estudo paramétrico da melhora da capacidade de carga em função dos parâmetros adimensionais, definidos pela geometria e propriedades de resistência. Finalmente, realizou-se uma generalização à situação de um solo reforçado por um grupo de colunas, em estado plano de deformação, mediante a aplicação da abordagem estática e cinemática da análise limite e posterior estudo paramétrico. Os resultados mostraram que, a medida que aumenta a componente horizontal da força, a componente vertical de ruptura diminui. Este fato constitui um risco na edificação de estruturas submetidas a carregamentos inclinados. Os parâmetros adimensionais que controlam a capacidade de carga são: o ângulo de atrito interno do material de reforço e a relação entre o intercepto coesivo do reforço e do solo. Foi encontrado que, para fins práticos, a carga limite é independente da quantidade de colunas, sempre que o volume de reforço seja mantido.

From a practical engineering viewpoint, design of column-reinforced foundations turns to be a challenging task owing to the strong heterogeneity of the geo-composite resulting from the association of native soft soil and the reinforcing soil columns. The design procedures conceived to estimate bearing capacity improvement from this reinforcement technique have mainly dealt with foundations under vertical loading. The purpose of the present work is to investigate the ultimate bearing capacity problem of column-reinforced foundations under inclined loading, within the framework of limit analysis theory. Special emphasis is given to the effect of reinforcement on the interaction diagram relating the foundation load components. Starting from the situation of an isolated column, a lower bound solution for the bearing capacity is derived, in plain strain analysis, by considering statically admissible piecewise linear stress fields that comply with the failure condition everywhere in the foundation soil. On the other hand, the kinematic approach of limit analysis makes it possible, through the implementation of failure mechanisms on the column-reinforced structure, to derive upper bound estimates of the bearing capacity for each value of the inclination angle of applied load. The semi-analytical expressions of both lower and upper bound estimates allow for a parametric study on the improvement of the bearing capacity as a function of dimensionless parameters, which are defined from geometrical and strength properties. In this context, design charts are presented to provide an insight into the reinforcement mechanism. Finally, the generalization of the approaches to the situation of a soil reinforced by a group of columns is presented, considering plain strain analysis. As soon as the horizontal component of the force increases, the vertical component of the bearing capacity decreases. This fact constitutes a risk for structures submitted to inclined loading. The dimensionless parameters that control the bearing capacity are: the reinforcement material friction angle and the relation between the coesion intercept of the reinforcement and the soil. For practical purposes, the bearing capacity doesn’t depend on the column number, but on the reinforcement volume.