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Investigation on bearing capacity and settlement characteristics of square footings founded on geosynthetic-reinforced rubber–sand mixture

Este estudo demonstra, por meio de testes em modelos de escala reduzida, que o reforço com geocélula aumenta significativamente a capacidade de carga e reduz o recalque de sapatas quadradas sobre misturas de borracha e areia, com desempenho otimizado alcançado através de profundidades e dimensões de reforço específicas, particularmente ao utilizar grânulos de borracha maiores que se beneficiam do melhor intertravamento dentro das aberturas da geocélula.

Autores originais: Jithin K M, Renjitha Mary Varghese

Publicado 2026-08-12

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CC BY 4.0

Autores originais: Jithin K M, Renjitha Mary Varghese

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

Imagine o chão sob nossos pés como um colchão gigante e invisível. Quando construímos uma casa ou uma estrada, precisamos que esse colchão seja firme o suficiente para suportar o peso sem afundar demais, mas às vezes, o solo é muito "fofinho". Este é o mundo da engenharia geotécnica, onde cientistas estudam como a terra sustenta nossas estruturas. Um conceito chave aqui é a "capacidade de carga", que é apenas uma maneira chique de perguntar: "Quanto peso este chão consegue suportar antes de ceder?". Outra ideia importante é o "recalque", que é simplesmente o quanto o chão se espreme para baixo sob esse peso. Geralmente, os engenheiros querem que o solo seja rígido e forte. Mas e se quiséssemos tornar o solo mais "fofinho" de propósito? É aí que entra um material novo e estranho: misturar areia com borracha triturada de pneus velhos. Embora esta "Mistura de Areia e Borracha" (RSM) seja ótima para absorver vibrações durante terremotos, ela tem um hábito irritante: é muito macia. Ela afunda muito facilmente sob cargas pesadas. Então, a grande questão para os engenheiros é: Podemos tornar essa mistura de borracha e areia reciclada forte o suficiente para sustentar um edifício sem perder seus especiais poderes de absorção de choque?

Este artigo mergulha exatamente nesse quebra-case. Os pesquisadores, Jithin K M e Renjitha Mary Varghese, do Instituto Nacional de Tecnologia de Calicut, decidiram brincar com uma versão em modelo de uma fundação de edifício sentada sobre esta mistura de borracha e areia. Eles queriam ver se poderiam "fortalecer" a mistura usando uma estrutura especial em forma de colmeia feita de malha plástica chamada "geocélula". Pense na geocélula como um ferro de br Ashford gigante e flexível ou uma colmeia feita de tiras de plástico. Quando você preenche os buracos com solo, as paredes da colmeia apertam o solo de todos os lados, impedindo-o de se espalhar e afundar. A equipe testou dois tamanhos diferentes de pedaços de borracha: pequenos, que têm quase o mesmo tamanho dos grãos de areia, e maiores, que são mais robustos. Eles também tentaram adicionar uma rede plástica plana (geogrelha) por baixo da colmeia para ver se essa camada extra ajudaria.

Aqui está o que eles descobriram, e é um pouco como um jogo de "Ouro e Prata" (Goldilocks) com o tamanho certo de borracha e o posicionamento certo da colmeia. Primeiro, eles confirmaram que adicionar borracha à areia torna o solo mais macio. Se você apenas amontoar a mistura de borracha e areia, ela afunda muito mais do que a areia pura, especialmente se os pedaços de borracha forem minúsculos. Os pedaços de borracha minúsculos agem como pequenas esponjas que se espremem juntas, tornando toda a mistura muito compressível. No entanto, os pesquisadores descobriram que a estrutura de colmeia (a geocélula) é uma super-heroína para este material. Quando colocaram a geocélula sob a fundação, ela agiu como uma gaiola, segurando a borracha e a areia juntas para que elas não se espremessem tão facilmente. Isso aumentou a quantidade de peso que o chão pode suportar e reduziu o quanto ele afunda.

Mas o tamanho dos pedaços de borracha importava muito. A descoberta do "equilíbrio perfeito" foi que os pedaços de borracha maiores (Tipo-II) funcionavam muito melhor com a geocélula do que os menores (Tipo-I). Por quê? Os pesquisadores explicam que os pedaços de borracha maiores são grandes o suficiente para ficarem presos nos buracos da colmeia de plástico, como uma pedra grande que fica presa em uma cerca. Esse "intertravamento" torna toda a estrutura muito mais rígida. Os pedaços de borracha minúsculos, por outro lado, são pequenos demais para ficarem presos; eles apenas deslizam pelos buracos, então a colmeia não os segura tão firmemente.

A equipe também brincou com onde colocar a colmeia. Eles descobriram que, se colocarem a geocélula logo na base da fundação, ela não funciona bem porque o solo acima dela não é pesado o suficiente para empurrar para baixo e fazer com que as paredes agarrem o solo. Mas, se enterrarem a geocélula um pouco mais fundo (cerca de 17% da largura da fundação para baixo), ela funciona perfeitamente. Eles também descobriram que a colmeia precisa ser alta o suficiente (cerca de metade da largura da fundação) para conter uma boa quantidade de solo, mas se ficar alta demais, pode dobrar ou deformar sob o peso, o que impede que ela ajude.

Finalmente, para os pedaços de borracha minúsculos que ainda estavam sendo muito "fofinhos", a equipe tentou um truque: adicionar uma rede plástica plana (geogrelha) logo abaixo da colmeia. Isso agiu como um trampolim ou uma rede de segurança, capturando as partículas de borracha e impedindo que caíssem. Essa combinação da colmeia com a rede foi um divisor de águas para a mistura de borracha minúscula, aumentando significamente sua força.

No fim, o estudo sugere que, embora a mistura de borracha e areia seja naturalmente macia e propensa a afundar, ela pode ser transformada em um material de fundação forte se você usar o reforço certo. A estrutura de colmeia é a chave, mas funciona melhor se os pedaços de borracha forem grandes o suficiente para ficarem presos na malha. Se você tiver pedaços de borracha minúsculos, precisará dessa rede de segurança extra por baixo para obter os melhores resultados. Esta pesquisa oferece aos engenheiros um roteiro para usar pneus reciclados de uma forma que seja ao mesmo tempo ecológica e forte o suficiente para sustentar as construções do nosso futuro.

Resumo Técnico: Investigação sobre a Capacidade de Carga e Características de Recalque de Sapatas Quadradas sobre Mistura de Borracha-Areia Reforçada com Geossintéticos

Definição do Problema
O volume crescente de Pneus Fim de Vida (ELT) apresenta um desafio ambiental significativo, necessitando de métodos sustentáveis de descarte. Embora a Mistura de Borracha-Areia (RSM) tenha surgido como um geomaterial viável para aplicações como isolamento sísmico, aterro leve e construção de aterros, seu uso como uma camada de solo de fundação direta levanta preocupações geotécnicas. A incorporação de grânulos de borracha em matrizes de areia geralmente compromete a estabilidade mecânica macroscópica, levando à redução da capacidade de carga e ao aumento da compressibilidade em comparação com a areia pura. Embora o reforço com geossintéticos (especificamente geocelas) tenha se mostrado eficaz na melhoria do desempenho de solos granulares, sua eficácia em mitigar a compressibilidade das camadas de RSM — e como essa eficácia varia com o tamanho dos grânulos de borracha — permanece insuficientemente explorada. Este estudo aborda a necessidade de compreender o comportamento de carga-recalque de fundações rasas sobre RSM reforçada com geossintéticos e de identificar parâmetros de reforço ideais.

Metodologia
A pesquisa empregou testes de modelo em escala reduzida (1G) para avaliar o desempenho de uma sapata quadrada apoiada sobre camadas de RSM. A configuração experimental utilizou um tanque de teste de aço (750 mm × 750 mm × 750 mm) com revestimento interno sem atrito.

Materiais: Areia de rio (Areia Mal Graduada, SP) foi misturada com borracha granulada em uma proporção gravimétrica de 30%. Dois tipos distintos de borracha foram testados:
- Tipo-I: grânulos de 1–4,75 mm (tamanho médio 3,36 mm), comparáveis aos grãos de areia.
- Tipo-II: grânulos de 4,75–12 mm (tamanho médio 8,52 mm), significativamente maiores que a areia.
Reforço: Geogrelhas de polipropileno foram utilizadas para construir geocelas com um tamanho de abertura de 50 mm. Uma combinação geocela-geogrelha (geogrelha posicionada na base da geocela) também foi testada.
Escalonamento: Um fator de escala linear de 10 foi adotado. A sapata do modelo (largura de 150 mm, espessura de 20 mm, aço) foi projetada para corresponder à rigidez à flexão de uma sapata de concreto protótipo (largura de 1,5 m) com base em leis de similitude.
Programa de Testes: Testes de carga de placa foram conduzidos para medir as respostas de pressão-recalque. O estudo variou:
- Espessura da camada de RSM (razões $T/B$ de 1, 1,25, 1,5).
- Profundidade de posicionamento da geocela ( $u/B$ de 0 a 0,5).
- Altura da geocela ( $h/B$ de 0,17 a 0,67).
- Largura da geocela ( $w/B$ de 1 a 3).
- Tipo de reforço (não reforçado, apenas geocela e combinação geocela-geogrelha).
Métrica de Desempenho: A Razão de Pressão de Carga (BPR) foi calculada como a razão entre a pressão de carga nos espécimes reforçados/RSM e a da areia pura em razões de recalque específicas ( $s/B$ ).

Principais Contribuições e Resultados

Impacto do Tamanho da Borracha e Espessura da Camada:
- A introdução de grânulos de borracha reduziu a pressão de carga e aumentou o recalque em comparação com a areia pura.
- Tipo-I (grânulos menores) exibiu uma redução mais pronunciada na capacidade de carga (até 40% de redução em baixos recalques) devido ao aumento do contato borracha-borracha, o que induziu uma compressibilidade do tipo borracha.
- Tipo-II (grânulos maiores) mostrou menor redução na capacidade de carga (<10% em baixos recalques) porque os vazios maiores foram preenchidos por areia, mantendo as cadeias de força areia-areia.
- O aumento da espessura da camada de RSM aumentou a compressibilidade. Uma espessura de camada ótima equivalente à largura da sapata ( $T/B = 1$ ) foi identificada.
Eficácia do Reforço com Geocela:
- O reforço com geocela melhorou significativamente a Razão de Pressão de Carga (BPR) para ambos os tipos de RSM, fornecendo confinamento passivo através das paredes da célula e mobilizando a resistência por fricção.
- Profundidade de Posicionamento Ótima: Uma profundidade de $u/B = 0,17$ rendeu o maior BPR. O posicionamento da geocela diretamente sob a sapata ( $u/B=0$ ) reduziu a eficácia devido ao confinamento insuficiente para a mobilização de fricção, enquanto o posicionamento mais profundo ( $u/B > 0,33$ ) levou à compressão excessiva da camada de sobrecarga de RSM, reduzindo a eficiência do confinamento.
- Altura Ótima: O aumento da altura da geocela de $0,17B$ para $0,5B$ melhorou o BPR significativamente. Aumentos adicionais para $0,67B$ ofereceram ganhos marginais devido ao flambagem das paredes da geocela sob carga vertical. Assim, $h/B = 0,5$ foi determinado como ótimo.
- Largura Ótima: Uma largura de geocela correspondendo à largura da camada de RSM ( $w/B = 3$ ) proporcionou o melhor desempenho. Geocelas mais estreitas dependiam da RSM compressível para restrição lateral, enquanto a geocela de largura total foi restringida lateralmente pela areia circundante mais rígida, atuando como uma camada de dispersão de carga homogênea.
Influência do Tamanho da Partícula no Reforço:
- A RSM Tipo-II alcançou consistentemente valores de BPR mais altos que a RSM Tipo-I. Os grânulos de borracha maiores (Tipo-II) intertravam-se mais efetivamente com as aberturas da geogrelha (6 mm) e as paredes da célula, aumentando a resistência passiva.
- A RSM Tipo-I apresentou menor eficiência de intertravamento devido aos tamanhos de partícula menores em relação às aberturas da geogrelha.
Combinação Geocela-Geogrelha:
- A adição de uma geogrelha na base da geocela aumentou ainda mais o desempenho, particularmente para a RSM Tipo-I.
- Em altas razões de recalque ( $s/B \approx 20\%$ ), a combinação geocela-geogrelha melhorou o BPR em 17% para o Tipo-I e 7% para o Tipo-II em comparação com o reforço apenas com geocela.
- A geogrelha basal atuou como uma membrana de tensão, restringindo o movimento descendente das partículas menores de borracha e aumentando o confinamento, um mecanismo menos crítico para o Tipo-II, onde o intertravamento de partículas já era dominante.
Deformação de Superfície (Expansão/Heave):
- As camadas de RSM exibiram uma redução significativa na expansão superficial (redução de 58–70%) em comparação com a areia pura, devido ao preenchimento de vazios pelas partículas de areia durante o estresse lateral.
- O reforço geocela-geogrelha reduziu ainda mais a expansão em até 86% em comparação com a areia pura, indicando uma mudança no mecanismo de falha.

Significância e Alegações
O estudo conclui que o reforço com geossintéticos é uma estratégia eficaz para utilizar a RSM como um material de fundação, equilibrando a ductilidade do material com a necessária capacidade de carga. A pesquisa destaca que o desempenho da RSM reforçada depende fortemente do tamanho dos grânulos de borracha em relação à geometria do reforço. Especificamente:

O reforço com geocela é essencial para mitigar a alta compressibilidade da RSM.
Grânulos de borracha maiores (Tipo-II) beneficiam-se mais do confinamento padrão da geocela devido ao intertravamento superior.
Grânulos de borracha menores (Tipo-I) requerem o efeito adicional de membrana de tensão de uma geogrelha basal para alcançar o confinamento ideal e o controle de recalque.
Os achados sugerem que, para RSM usada em sistemas de isolamento sísmico geotécnico, a combinação de geocela e geogrelha pode gerenciar efetivamente o equilíbrio entre a ductilidade necessária para dissipação de energia e os limites de recalque exigidos pela serviciabilidade estrutural.

O artigo não propõe novos modelos teóricos ou aplicações futuras além do escopo destes testes de modelo, concentrando-se em estabelecer parâmetros de projeto empíricos (profundidade, altura e largura ótimas) para sistemas de fundação de RSM reforçada.

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