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Estimating the allowable bearing pressure of soils from small-scale plate load and direct shear tests: laboratory-prepared mixtures and natural subgrade soils

Este estudo demonstra que a combinação de ensaios de carga de placa em pequena escala (avaliando o recalque) com ensaios de cisalhamento direto (avaliando a resistência ao cisalhamento) em solos naturais e preparados em laboratório fornece um método confiável e conservador para estimar a tensão admissível de fundação, servindo como uma alternativa eficaz quando ensaios de campo em escala real não estão disponíveis.

Autores originais: Kakasaheb D. Waghmare, Harsh Rajput, Dipraj Bachchhav, Archana Attarde, K. K. Tripathi

Publicado 2026-11-03

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CC BY 4.0

Autores originais: Kakasaheb D. Waghmare, Harsh Rajput, Dipraj Bachchhav, Archana Attarde, K. K. Tripathi

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

Cada estrutura construída sobre o solo, desde um simples caminho de jardim até um enorme viaduto de uma rodovia, depende do solo abaixo dela para suportar seu peso. Antes que os engenheiros possam projetar uma fundação, eles devem responder a uma pergunta crítica: quanta pressão este pedaço específico de terra pode suportar com segurança antes de falhar ou afundar demais? Se o terreno ceder, a estrutura acima dele racha ou colapsa; se ele se assentar de forma irregular, portas travam e paredes se partem. A maneira padrão de encontrar esse limite é realizar um ensaio de carga de placa, onde uma placa de metal pesada é pressionada contra o solo no campo até atingir seu ponto de ruptura. Embora este método seja o mais direto e confiável, ele requer maquinário enorme e caro e leva dias para ser conclução, tornando-o impraticável para muitos projetos rotineiros. Os engenheiros frequentemente recorrem a alternativas mais baratas e rápidas, mas estas dependem de suposições e correlações que podem, por vezes, ser enganosas.

Uma equipe de pesquisadores na Índia partiu em busca de um meio-termo que fosse ao mesmo tempo acessível e confiável. Eles questionaram se uma versão em pequena escala do teste pesado, combinada com uma medição de resistência do solo diferente em laboratório, poderia prever os limites seguros do terreno sem a necessidade do enorme equipamento de campo. Para testar isso, eles coletaram solo de cinco locais naturais diferentes em Pune e também criaram seis misturas específicas de areia, argila e cascalho no laboratório. Eles compactaram esses solos em caixas de aço para imitar a densidade encontrada no mundo real. Dentro dessas caixas, colocaram placas de metal de dois tamanhos diferentes — uma aproximadamente do tamanho de uma bandeja de jantar grande e outra do tamanho de uma pequena mesa de centro — e as carregaram lentamente com pesos para ver quanto o solo se espremia sob a pressão. Simultaneamente, coletaram amostras do mesmo solo e as cisalharam em uma máquina separada para medir quanta fricção mantinha as partículas de solo unidas.

Os pesquisadores descobriram que os dois testes contavam histórias diferentes, e a história menor era a que importava. O teste que media o quanto o solo sofria cisalhamento ou deslizamento sugeria que o terreno poderia suportar um peso tremendo, prevendo frequentemente limites seguros entre 450 e 1.000 quilonewtons por metro quadrado. No entanto, o teste que media o quanto o solo assentava ou afundava sob a carga contava um conto muito mais cauteloso. Em cinco das seis misturas de laboratório, o teste de assentamento mostrou que o solo iria comprimir demais muito antes de realmente falhar. Isso significava que o limite seguro não era determinado pela resistência do solo, mas pelo quanto ele estava disposto a se espremer. Quando aplicaram este mesmo método aos solos naturais do campo, os resultados foram ainda mais reveladores. Para os locais arenosos e cascalhentos, o teste de pequena escala com a placa maior previu uma pressão segura que era cerca de 88 a 95 por cento do que os testes de campo padrão sugeriam. A placa menor foi ainda mais cautelosa, prevendo apenas 62 a 82 por cento do valor padrão.

A validação mais impressionante veio de um local com solo de silte macio, onde os pesquisadores não puderam usar o maquinário pesado padrão. Aqui, eles compararam seus resultados em pequena escala contra um único teste de campo em escala real realizado no próprio solo. O teste em escala real mostrou que o solo poderia suportar com segurança 33 quilonewtons por metro quadrado. O método de pequena escala dos pesquisadores, usando os dois tamanhos de placa, produziu resultados de 29 e 36 quilonewtons por metro quadrado. Esses dois números efetivamente cercaram o resultado do mundo real, capturando o limite verdadeiro com uma precisão surpreendente. O estudo concluiu que confiar apenas no teste de cisalhamento teria sido perigosamente otimista, superestimando a capacidade do solo por um fator de quase três em alguns casos. Em vez disso, a abordagem mais confiável é usar o teste de assentamento em pequena escala para encontrar o limite de quanto o solo irá afundar, e usar o teste de cisalhamento apenas como uma verificação de apoio. Esta combinação oferece uma maneira conservadora, segura e prática de estimar a resistência do solo para estradas e fundações, especialmente em locais onde trazer equipamentos de teste pesados e caros é impossível.

Resumo Técnico: Estimativa da Pressão de Admissibilidade de Fundação a partir de Ensaios de Carga de Placa em Pequena Escala e Cisalhamento Direto

Definição do Problema
O ensaio de carga de placa (PLT) é amplamente considerado o método mais confiável para determinar a pressão de admissibilidade de fundações e solos de subleito porque simula o carregamento da fundação sem depender de correlações empíricas. No entanto, os PLTs em escala real são frequentemente impraticáveis devido aos altos custos, longas durações e à necessidade de plataformas de reação pesadas para mobilizar capacidades últimas. Por outro lado, métodos in situ alternativos, como o Ensaio de Penetração Padrão (SPT), são econômicos, mas dependem de correlações empíricas entre o número de golpes, ângulos de atrito e pressões de suporte, o que introduz incertezas. Além disso, em solos granulares, onde a amostragem não perturbada é difícil, os critérios de recalque costem reger o projeto, embora testes laboratoriais padrão possam não capturar adequadamente os efeitos de escala. Há uma necessidade de um método de estimativa de pressão de admissibilidade que seja prático, confiável e conservador, que possa ser executado onde equipamentos de campo padrão não estejam disponíveis.

Metodologia
Este estudo investiga um procedimento híbrido de laboratório combinando um Ensaio de Carga de Placa em Pequena Escala (SPLT) e um Ensaio de Cisalhamento Direto (DST) para estimar a pressão de admissibilidade de fundação. A pesquisa foi conduzida em duas séries:

Série A (Misturas Preparadas em Laboratório): Seis misturas controladas de areia, caulin e agregado graúdo foram preparadas. Os solos foram compactados em recipientes de aço até sua Umidade Ótima (OMC) e Massa Específica Seca Máxima (MDD).
Série B (Solos de Subleito Naturais): Cinco locais de solos naturais em Pune, Índia, foram amostrados. Os solos foram compactados em laboratório para sua densidade e umidade in situ.
Aparelho de Teste: Ambas as séries utilizaram um aparelho de cisalhamento direto de caixa grande modificado para SPLT. Dois tamanhos de placa foram empregados: 0,10 m × 0,27 m e 0,20 m × 0,30 m. As placas foram posicionadas na borda do recipiente para minimizar os efeitos de confinamento de contorno.
Procedimentos:
- DST: Realizado em espécimes em condições de campo/MDD para determinar os parâmetros de resistência ao cisalhamento (coesão $c$ e ângulo de atrito $\phi$ ).
- SPLT: A carga foi aplicada em incrementos e o recalque foi registrado até a falha ou capacidade do aparelho. A capacidade última da placa ( $q_{up}$ ) foi identificada usando o método de intersecção de tangentes.
- Avaliação: A pressão de admissibilidade ( $q_a$ $q_{a}$ ) foi definida como o mínimo de dois critérios:
  1. Critério de Cisalhamento ( $q_{ns}$ ): Calculado a partir dos parâmetros do DST usando a equação de Terzaghi (com um fator de segurança $F=3$ ).
  2. Critério de Recalque ( $q_p$ ): Determinado a partir da curva carga-recalque do SPLT no recalque da placa correspondente a um recalque admissível de 25 mm, escalado usando as relações de Terzaghi–Peck para solos granulares e relações lineares para solos coesivos.
Validação: Os resultados para solos naturais foram comparados com estimativas baseadas em SPT (usando várias correlações empíricas) e, em um local (Sítio 4), contra um PLT de campo em escala real.

Principais Resultados

Misturas de Laboratório (Série A):
- A substituição de 20% da massa de areia-caulin por agregado aumentou a capacidade última da placa em 31–75% e a massa específica seca máxima em aproximadamente 0,2 g/cm³. No entanto, uma maior capacidade última não garantiu uma maior pressão segura; o Solo 6 exibiu a maior capacidade última, mas uma pressão de recalque inferior (360 kN/m²) em comparação ao Solo 5 (850 kN/m²) devido a uma resposta carga-recalque mais suave.
- O critério de recalque governou a pressão admissível em cinco das seis misturas. A capacidade líquida segura baseada em cisalhamento derivada do DST (451–1024 kN/m²) foi de 1,4 a 2,8 vezes maior que a pressão baseada em recalque, indicando que confiar apenas no DST é inconservador para esses solos.
- A extrapolação direta da carga última da placa para a capacidade da fundação usando razões de largura yielded resultados erráticos (variando de 133 a 1533 kN/m²) e foi considerada não confiável.
Solos Naturais (Série B):
- Para solos granulares naturais, a pressão admissível derivada da placa de 0,20 m combinada com o DST variou de 88% a 95% dos valores baseados em SPT. A placa de 0,10 m yielded valores mais conservadores, variando de 62% a 82% das estimativas de SPT.
- No Sítio 4 (silte de alta plasticidade e macio), os resultados do SPLT (29 kN/m² para a placa de 0,10 m e 36 kN/m² para a placa de 0,20 m) cercaram a pressão segura do PLT de campo em escala real de 33 kN/m².
- Em todos os casos de solos naturais, as estimativas baseadas em SPLT foram menores ou iguais às estimativas baseadas em SPT, confirmando a natureza conservadora do procedimento.

Contribuições Principais e Significância
O artigo propõe uma metodologia prática e de baixo custo para estimar a pressão de admissibilidade quando o teste de campo em escala real não é viável. A principal contribuição é a demonstração de que a combinação de SPLT (para o critério de recalque) com DST (para o critério de cisalhamento) fornece uma estimativa confiável e conservadora.

Conservadorismo: O estudo valida que esta abordagem híbrida produz resultados conservadores em comparação com as correlações padrão de SPT e alinha-se estreitamente com os dados de PLT de campo em condições de solo macio.
Dominância do Recalque: Reforça a visão estabelecida de que, em solos granulares e mistos, o critério de recalque tipicamente governa a pressão admissível, um fator frequentemente negligenciado se apenas os parâmetros de resistência ao cisalhamento forem considerados.
Efeito do Tamanho da Placa: A pesquisa destaca que, embora placas menores (0,10 m) sejam altamente conservadoras, placas maiores (0,20 m) fornecem estimativas mais próximas dos valores baseados em SPT, oferecendo um equilíbrio entre segurança e design econômico.
Aplicabilidade: O procedimento é apresentado como uma ferramenta de triagem ou de projeto preliminar viável para a geotecnia de infraestrutura de transporte, particularmente para terraplenagem, subleitos e encontros de pontes/viadutos onde estruturas de reação pesadas não podem ser mobilizadas.

Limitações e Trabalhos Futuros
Os autores reconhecem que os testes foram realizados em solo removoldido em recipientes rígidos, o que significa que a estrutura natural do solo, a estratificação e os efeitos de saturação não são totalmente representados. A extrapolação de placas pequenas para fundações depende de uma escala empírica que pode ser incerta para solos pedregosos. Além disso, os benchmarks baseados em SPT usados para comparação são, eles próprios, empíricos. Os autores concluem que, embora o método seja promissor para projeto preliminar, os resultados devem ser corroborados por testes de campo antes do projeto final. Sugere-se que trabalhos futuros comparem resultados de SPLT em amostras não perturbadas com PLTs de campo, avaliem condições saturadas e testem uma gama mais ampla de tipos de solo usando um instrumento portátil recém-projetado capaz de realizar DST, CBR e SPLT.

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