Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Comparação do número Nd (qd/σv0) dinâmico com o ângulo de atrito de um solo compactado Franciele Diemer Mestranda do Programa de Pós-graduação em Geotecnia, Estruturas e Construção Civil - GECON, Escola de Engenharia Civil, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brasil, franciellediemer@gmail.com Carlos Alberto Lauro Vargas Professor Dr., Escola de Engenharia Civil, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brasil, carloslauro@hotmail.com Renato Resende Angelim Professor Dr., Escola de Engenharia Civil, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brasil, tecnoeng@gmail.com RESUMO: Os ensaios de investigação de campo representam uma necessidade para engenharia geotécnica, pois podem identificar as camadas e estimar os parâmetros mecânicos do solo para uma adequada previsão do comportamento das estruturas de contenção, estabilidade de taludes, fundações, aterros compactados de barragens, entre outros. Estes ensaios realizados in situ fornecem informações reais do comportamento do maciço, pois levam em consideração todas as condições de contorno e fornecem informações diretas dos parâmetros do maciço, além de serem de rápida execução quando comparados com os ensaios de laboratório. Nesse contexto a resistência do solo é um dos principais parâmetros geotécnicos e o ensaio de penetração dinâmica com energia variável – conhecido como PANDA, atualmente na sua 2ª geração, é um ensaio que está sendo introduzido no Brasil, e surge como uma boa opção para auxiliar em projetos de fundações rasas, relacionando a capacidade de carga de fundações com o ensaio PANDA2, pois apresenta uma série de vantagens como, por exemplo: são muito leves, portáteis e de fácil execução do ensaio, além de registrar continuamente e milimetricamente a resistência de ponta “qd” do perfil do solo. Este trabalho tem como objetivo comparar o número Nd dinâmico, expresso pela relação (qd/σv0), com resultados de ângulo de atrito obtidos em laboratório (ensaios de compressão triaxial drenados e cisalhamento direto), podendo assim obter uma relação para auxiliar em projetos de obras geotécnicas. Foram realizados ensaios PANDA2 no aterro compactado da ombreira direita da Barragem João Leite, localizado em Goiânia-GO, a 200 km da Capital Federal, onde se obteve a resistência de ponta do perfil do aterro. Também foram realizados ensaios de cisalhamento direto para obtenção dos parâmetros de resistência (c’ e ’) do solo compactado a partir de amostras retirada do referido aterro. Estes resultados nos mostram que há uma relação entre os parâmetros de resistência de laboratório e de campo obtido com o PANDA2 e que a medida que aumenta-se o banco de dados é possível estimar valores de resistência que irão nos auxiliar em projetos geotécnicos. PALAVRAS-CHAVE: Ensaios in situ, Penetrômetro dinâmico leve, PANDA2 1 INTRODUÇÃO Projetos geotécnicos de qualquer natureza, independentemente da abordagem, são, em geral, executados com base em resultados de ensaios de campo, cujas medidas permitem uma definiçao satisfatória da estratigrafia do subsolo e uma estimativa realista das propriedades dos materiais envolvidos, podendo nos fornecer adequada previsão de comportamento das estruturas de contenção, estabilidade de taludes, fundações, aterros compactados de barragens, entre outros. Diante dessa necessidade, surge como uma alternativa o emprego de ensaios de campo, que além de serem de mais rápida execução quando comparados aos de laboratório, tem a vantagem de possibilitar a análise do maciço nas condições reais em que se encontra, considerando fatores intrínsecos, como tensões confinantes, umidade natural, saturação, densidade, sucção, poro-pressão de água e fluxo d’água, e outros extrínsecos, como temperatura, carregamento e sobrecargas (ANGELIM, 2011). Nesse contexto a resistência do solo é um dos principais parâmetros geotécnicos e o ensaio de penetração dinâmica com energia variável – PANDA, na sua 2ª geração, é um ensaio que está sendo introduzido no Brasil, e surge como uma boa opção para auxiliar em projetos de fundações rasas, relacionando a capacidade de carga de fundações com os resultados do ensaio PANDA2, pois apresenta uma série de vantagens como, por exemplo: são muito leves comparados a outros, portáteis e de fácil e rápida execução, além de registrar continuamente e milimetricamente as características do perfil do solo durante a cravação. É uma ferramenta que veio a somar às outras ferramentas de investigação in situ e que se tratada como um ensaio de resistência ele deve necessariamente ser associado com a resistência ao cisalhamento do solo, e com isso estimar parâmetros para um projeto de fundações rasas. Este trabalho tem como objetivo comparar o número Nd dinâmico, proposto como a relação (qd/σv0) obtidoa com o PANDA2 com resultados de ângulo de atrito obtidos em laboratório (ensaios de compressão triaxial drenados e cisalhamento direto), podendo assim chegar a uma correlação satisfatória para auxiliar em projetos geotécnicos. 2 O PANDA O equipamento PANDA, desenvolvido pela Soil Solution Company, de origem francesa, tem seu uso fundamentado na fórmula dinâmica dos holandeses usada em ensaios de cone. O ensaio fornece a medida da energia cinética durante o processo de cravação do cone, o que permite obter diretamente a resistência de ponta do solo (qd) no ensaio PANDA2, por meio da Equação 1, na qual tem-se: qd 1 A . 1 2 .MV e . 1 1 P M (1) Onde: qd: resistência de ponta (Pa); A: área da ponta (m²); M: massa do martelo (kg); V: Velocidade do impacto (m/s); e: profundidade de penetração da haste para uma batida do martelo (m); P: massa das hastes e ponta (kg). O ensaio é descrito pela norma francesa NF P94-105, realizado por meio da cravação de uma haste de aço com ponta cônica por golpes de um martelo de peso fixo. Tal equipamento possui uma ponteira cônica conectada a extremica inferior da haste, cujo diâmetro externo é ligeiramente maior que o da haste. A Figura 1 apresenta um esquema do penetrômetro PANDA2. O equipamento utiliza um martelo de 2 kg, que, por ser operado manualmente, aplica uma energia variável a cada golpe. O PANDA2 é composto também de hastes de 50 cm de comprimento e 14 mm de diâmetro, pontas cônicas (com ápice de 45º) de 2, 4 e 10 cm² e sensor de penetração com central microcomputadorizada, para armazenamento de dados e apresentação de penetrograma em tempo real de ensaio. As hastes devem, preferencialmente, apresentar o seu diâmetro externo inferior ao diâmetro das pontas, o que garante minimização do atrito lateral das hastes com as paredes do furo do perfil de solo sob análise (GOURVES; BARJOT, 1995). No entanto, devido à maior energia necessária para cravação de pontas maiores, materiais de alta resistência (e.g., certas bases de pavimento ou cascalhos naturais) podem ser investigados com a ponteira menor, cujo diâmetro é pouco superior ao diâmetro das hastes, como é o caso da ponta de 2 cm2. As hastes são unidas uma a outra por uma rosca, de modo a obter uma série contínua e rígida durante a penetração. A altura de golpe do martelo não segue nenhuma regra, pois varia constantemente com o operador, apenas limita-se às energias de impacto registradas no microprocessador a profundidade de cravação da haste. A profundidade mínima necessária por cada golpe é fixada em 1 milímetro e adota-se uma variação adequada de 2 mm e 20 mm. Conforme apresentado por Oliveira (2007), esta limitação serve para evitar o repique elástico e geração de pressão neutra para solos saturados e solos compactados com umidade acima da umidade ótima. Figura 1 - Esquema do equipamentoPANDA2. Com estas informações ele fornece em real a resistência dinâmica ao longo da profundidade (penetrograma) na tela do microprocessador. A fricção entre as hastes e o solo é nula se a cada adição de haste, com profundidades acima de 2 m, o conjunto de hastes for rotacionado manualmente em 360º, e não for percebido pelo operador resistência por atrito ao movimento de rotação, caso contrário a resistência medida seria a soma da resistência de ponta mais a resistência por atrito das hastes, o que dificultaria a interpretação dos resultados, pois a fricção lateral majora os resultados. caso interrompe-se a cravação e o ensaio, podendo reiniciá-lo com ponteira superior ou refazê-lo com a de mesma dimensão quando o operador perceba que o atrito se deu com a parede do furo devido a perda de prumo das hastes. 3 MATERIAIS E MÉTODOS O trabalho de campo e a coleta de amostras para a execução dos ensaios de laboratório foram realizadas em um platô do aterro da ombreira esquerda, a jusante da barragem do Ribeirão João Leite localizada na cidade de Goiânia – GO, região central do Brasil. A Figura 2 mostra o panorama geral da barragem e o platô onde se estabeleceu o campo experimental. Figura 2 - Fotografia aérea da barragem com a indicação do platô (cedida pelo 42º Batalhão do Exército) (ANGELIM, 2011). As amostras para realização dos ensaios de laboratório foram coletadas durante construção do aterro, para evitar a escavação muito profunda a partir de sua cota final e facilitar a reconstituição do aterro. 3.1 Ensaios de compressão triaxial Os ensaios triaxiais determinaram os de resistência dos solos (coesão e ângulo de atrito) para as condições de umidade natural e saturada. Todos os ensaios foram realizados pelo Laboratório de Solos de Furnas segundo as normas da American Society for Testing and Materials (ASTM). Os ensaios de compressão triaxial foram realizados nas amostras indeformadas retiradas do platô do aterro. Os corpos-de-prova foram moldados na posição vertical, ou seja, na mesma direção da espessura das camadas compactadas, com 5 cm de diâmetro e 10 cm de altura. Foram executados ensaios do tipo CD para as condições de umidade natural e saturada. Neste estudo serão analisados os resultados obtidos nos ensaios CDnat, tendo em vista a condição mais semelhante com a de campo. As tensões confinantes de ensaio foram 49, 98, 196 e 588 kPa. Excepcionalmente, a tensão de 588 kPa foi substituída por 392 kPa no ensaio CDnat. Essas tensões foram definidas contemplando o intervalo de pré-adensamento oriundo do processo de compactação e também o das tensões geostáticas considerando o aterro acabado. 3.2 Ensaios de cisalhamento direto O ensaio de cisalhamento direto é outra forma de determinar os parâmetros de resistência do solo. Neste caso realizou-se ensaios de cisalhamento direto em amostra compactada (dmax = 16,97 kN/m3 e wot = 20,40 %), a partir de amostra deformada retirada do perfil do aterro, a fim de complementar o estudo. O ensaio de cisalhamento direto foi realizado no Laboratório de Geotecnia da Escola de Engenharia Civil da Universidade Federal de Goiás, seguindo as normas da American Society for Testing and Materials (ASTM D 3080, 2011). Durante a realização do ensaio, cada corpo de prova foi submetido a uma tensão normal constante (49, 98, 196 e 392 kPa) com o objetivo de determinar alguns pares de tensões (cisalhante versus normal) na ruptura da amostra. Após a moldagem e instalação na prensa, as amostras receberam a aplicação da carga vertical constante e a inundação, até o fim do adensamento (24 horas). Após o término da fase de adensamento, iniciou-se a fase de cisalhamento, que consistiu na aplicação de uma carga tangencial até a ruptura com velocidade constante de 0,042 mm/minuto. 3.3 Ensaio PANDA2 Conforme relatado anteriormente, o Ensaio PANDA2 permite obter de uma forma direta a resistência de ponta do solo (qd). Foram analisados 5 ensaios PANDA2 (P1A, P1B, P2A, P2B e P3A) dos 8 realizados no platô do aterro da ombreira esquerda, a jusante da barragem, a Figura 3 apresenta em planta a localização dos pontos de sondagem realizados com o PANDA2 com ponta de 4 cm2. Figura 3 - Locação dos ensaios PANDA2 (Ferreira, et al. 2013, adaptado de Angelim, 2011). 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES A Tabela 1 apresenta os parâmetros de resistência do solo determinados a partir dos ensaios de compressão triaxiais adensados isotropicamente e drenados (CDnat) realizados nas amostras retiradas dos blocos de amostras indeformadas, na condição de umidade natural que variou entre 19,3% e 22,1%. Analisando a Tabela 1, observa-se que valor médio do ângulo de atrito () determinado no perfil foi de 30º e do intercepto coesivo (c') foi de 107 kPa. A Figura 4 apresenta o resultado obtido no ensaio de cisalhamento direto para situação inundada de uma amostra compactada em laboratório. Tabela 1 - Resultados do ensaio de compressão triaxial (ANGELIM, 2011). Cota Prof. c’ ϕ (m) (m) (kPa) (º) 745,75 0,25 148 27 744,85 1,15 80 30 743,55 2,45 69 33 742,85 3,15 93 30 741,85 4,15 114 30 740,85 5,15 134 30 739,85 6,15 142 29 738,85 7,15 72 32 Média 107 30 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 2 4 6 8 10 12 Te ns ão C is al ha nt e (k Pa ) Deslocamento Horiz. (mm) Tensão Cisalhante vs Deslocamento Horizontal 49,3 99,5 199,2 396,9 Figura 4. Resultado da tensão cisalhante versus deslocamento horizontal. A partir da Figura 4 foi possível extrair o valor de tensão cisalhante máxima (τmáx), para cada tensão normal aplicada (σ). Cabe salientar que para o caso em questão todos os valores foram extraídos para o deslocamento horizontal de 10 mm. Os valores respectivos de tensão cisalhante máxima (τmáx) são apresentados resumidamente na Tabela 2. Tabela 2 – Valores de tensão cisalhante máxima. σ τ máx (kPa) (kPa) 49,34 59,89 99,47 100,51 199,19 195,52 396,85 359,89 Os resultados da Tabela 2 foram utilizados para o traçado da envoltória de resistência do solo, conforme visualizado na Figura 5. Através da envoltória apresentada na Figura 5 e da sua respectiva equação determinou-se um ângulo de atrito (ϕ) de 40,95º e uma coesão (c) de 17,37 kPa. y = 0,8677x + 17,376 R² = 0,9992 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 Te ns ão C isa lh an te (k Pa ) Tensão Normal (kPa) Tensão Cisalhante vs Tensão Normal Figura 5 - Envoltória de resistência do solo. As Figuras 6 a 10 apresentam os resultados obtidos com o PANDA2 em cada ponto ensaiado. Figura 6 - Perfil de resistência de ponta do solo - P1A. Figura 7 - Perfil de resistência de ponta do solo – P2A. Figura 8 - Perfil de resistência de ponta do solo – P3A. Figura 9 - Perfil de resistência de ponta do solo – P1B Figura 10 - Perfil de resistência de ponta do solo – P2B Observa-se nas Figuras 6 a 10 que o perfil é homogêneo, devido a repetibilidade dos dados, onde os resultados de qd para os 5 pontos ensaiados ficaram compreendidos em média entre 2 e 4 MPa e com valores levemente crescentes com a profundidade, coerente com o aumento das tensões verticais e octaédricas que aumentam com a profundidade. Esta tendência pode ser melhor visualizada na Figura 11, onde são plotados todos os pontos juntos. Figura 11 - Perfil de resistência de ponta do perfil do solo. Uma das teorias mais usadas para determinar a resistência ao cisalhamento de um solo e que melhorrepresenta o seu comportamento é através das envoltórias de Mohr-Coulomb. Esta teoria afirma que os materiais rompem quando a tensão de cisalhamento máxima, função da tensão normal, em um determinado plano iguala-se a resistência ao cisalhamento do material. Procurando obter uma relação da resistência dinâmica do ensaio PANDA2 (qd) com a resistência ao cisalhamento em laboratório, utilizou-se da teoria de resistência de Mohr-Coulomb para encontrar uma relação com o ensaio PANDA2, onde pode-se concluir que existe uma relação da tensão cisalhante máxima do solo com a resistência de ponta para cada profundidade, conforme pode-se observar na Figura 12. Esta relação fica na ordem de 20 vezes o valor da tensão cisalhante máxima. 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 0 1000 2000 3000 4000 5000 Pr of un di da de (m ) f * τ máx (kPa) qd kPa f * τ máx kPa Figura 12 - Correlação entre resistência à penetração e tensão cisalhante máxima. Existem diversas correlações na literatura (Terzaghi, 1943; Vésic, 1975; Baligh, 1975; Houlsby; Teh, 1988, entre outros) que são usuais e empregadas na interpretação de ensaios de cone estático. Os melhores resultados tem sido a combinação de metodologias (SCHNAID, 2012). Experiências realizadas em câmaras de calibração reunidas por Robertson e Campanella (1983b) são apresentadas na Figura 13, onde compara a resistência à penetração do cone estático com o ângulo de atrito medido a partir de ensaios triaxiais para solos arenosos. Com a intenção de encontrar uma relação da resistência a penetração dinâmica do PANDA2 que definie-se um novo índice Nd (denominado número dinâmico) que é expresso pela relação qd/σv0. Dessa forma utilizando a mesma metodologia proposta na Figura 13, apresenta- se os dados nas Tabelas 3 a 7 os valores de Nd e tan ϕ para as profundidades correspondentes e na Figura 14 os resultados obtidos. O valor de qd utilizado foi referente ao valor médio do perfil e o valor de σv0 foi determinado pelo produto do peso específico natural médio do material de 20 kN/m3 pela profundidade. Figura 13 - Correlação entre resistência à penetração estática de cone e ângulo de atrito (modificado de ROBERTSON E CAMPANELLA, 1983). Tabela 3 – Resultados de Nd e tangente de ϕ - P1A Cota σv0 P1A – Ombreira esquerda (m) (MPa) Qd Nd tan ϕ 745,75 0,004 1,52 312,08 - 744,85 0,022 2,26 99,53 0,58 743,55 0,048 1,64 34,19 0,65 742,85 0,061 2,00 32,59 0,58 741,85 0,080 2,09 25,89 0,58 740,85 0,099 2,20 22,09 0,58 739,85 0,118 2,81 23,67 0,55 738,85 0,138 2,94 21,26 0,62 Tabela 4 – Resultados de Nd e tangente de ϕ – P2A. Cota σv0 P2A – Ombreira esquerda (m) (MPa Qd Nd tan ϕ 745,75 0,004 2,07 421,62 - 744,85 0,022 1,50 66,00 0,58 743,55 0,048 1,87 38,95 0,65 742,85 0,061 3,14 51,21 0,58 741,85 0,080 2,67 33,12 0,58 740,85 0,099 3,07 30,84 0,58 739,85 0,118 2,18 18,37 0,55 738,85 0,138 2,20 15,91 0,62 Tabela 5 – Resultados de Nd e tangente de ϕ – P3A. Cota σv0 P3A – Ombreira esquerda (m) (MPa Qd Nd tan ϕ 745,75 0,004 2,30 472,24 - 744,85 0,022 2,36 103,93 0,58 743,55 0,048 1,55 32,32 0,65 742,85 0,061 2,89 47,17 0,58 741,85 0,080 2,01 24,94 0,58 740,85 0,099 3,34 33,55 0,58 739,85 0,118 3,50 29,49 0,55 738,85 0,138 3,14 22,73 0,62 Tabela 6 – Resultados de Nd e tangente de ϕ – P2B Cota σv0 P2B – Ombreira esquerda (m) (MPa qd Nd tan ϕ 745,75 0,004 2,84 576,17 - 744,85 0,022 1,83 80,45 0,58 743,55 0,048 3,66 76,30 0,65 742,85 0,061 2,13 34,74 0,58 741,85 0,080 2,22 27,56 0,58 740,85 0,099 4,13 41,51 0,58 739,85 0,118 1,63 13,74 0,55 738,85 0,138 4,55 32,93 0,62 Tabela 7 – Resultados de Nd e tangente de ϕ’ – P1B Cota σv0 P1B – Ombreira esquerda (m) (MPa qd Nd tan ϕ’ 745,75 0,004 2,27 451,57 - 744,85 0,022 2,10 92,33 0,58 743,55 0,048 2,51 56,86 0,65 742,85 0,061 2,10 34,33 0,58 741,85 0,080 2,71 33,64 0,58 740,85 0,099 2,94 29,54 0,58 739,85 0,118 1,15 9,69 0,55 738,85 0,138 3,46 25,01 0,62 1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 N d = qd / σ ' v0 Tangente ϕ P1A P2A P3A P1B P2B P1A - cisalhamento direto P2A- cisalhamento direto P3A - cisalhamento direto P1B - cisalhamento direto P2B - cisalhamento direto β=+15º β=0 β=-15º Figura 14 - Correlação entre resistência à penetração do PANDA2 e ângulo de atrito. Janbu e Sanneset (1974) Através dos resultados apresentados na Figura 14, pode se observar que não existe uma relação perfeita entre a tan ϕ e o Nd e isto pode ser devido ao solo em estudo apresentar resistência por coesão e não somente a resistência por atrito, o que não é considerado nos parâmetros do gráfico. Mesmo assim existe uma relação entre estes parâmetros considerando que se trata de uma camada compactada relativamente homogênea, ou seja, que conduzirá a um mesmo valor de tan ϕ. Na Figura 14 se observa uma diferença entre os dados de cisalhamento com as amostras de campo e do cisalhamento direto com a amostra compactada em laboratório, onde o ângulo de atrito da amostra de laboratório (cisalhamento direto) ficou maior que das amostras obtidas em campo (ensaios triaxiais), isso pode ser devido ao processo de compactação em laboratório mais controlado e o ângulo de atrito do ensaio triaxial ser sempre o menor e também pelas diferenças inerentes a cada tipo de ensaio. Cabe salientar que esta relação não é definitiva, pois é necessário mais pesquisas com outros tipos de solos (fofo, compacto, etc.) e também em diferentes condições de umidade ( variação do perfil de sucção). 5 CONCLUSÕES A resistência ao cisalhamento do solo compactado analisado neste trabalho tem relação com a resistência de ponta medida como o penetrômetro dinâmico leve PANDA2. Uma relação preliminar da resistência de ponta dinâmica (qd) do PANDA2 foi encontrada com a tangente do ângulo de atrito, isto com base em correlação existentes para o ensaio de cone (penetração estática de cone), onde se verifica uma variação maior nesta relação qd versus tan ϕ devido também a presença de coesão no solo. Esta relação precisa ser mais estudada para o caso de solos com resistência por atrito mais resistência por coesão e também para diferentes tipos de solos e condições de umidade. AGRADECIMENTOS Agradecemos ao CNPQ, à Eletrobrás-Furnas, aos meus professores pelo apoio e a Universidade Federal de Goiás pela concretização desse trabalho. REFERÊNCIAS AFNOR: l’Association Française de Normalisation. NF P94-105. Controle de La qualité Du Compactage – Méthode ao pénétromètre dynamique à énergie variable –Norme Française. La Plaine Saint-Denis Cedex, 2012, 38 p. ANGELIM, R. R. (2011). Desempenho de Ensaios Pressiométricos em Aterros Compactados de Barragens de Terra na Estimativa de Parâmetros Geotécnicos. Tese de Doutorado, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 291 p. ASTM - American Society for Testing and Materials. D3080: Standard Test Method for Direct Shear Test of Soil under Consolidated Drained Conditions. United States, 2011. 9p. FERREIRA, I. P., QUIRINO. R.; SOARES, T. M. (2013) Estudo comparativo entre os ensaios SPT e PANDA 2 em aterros compactados de barragem de terra. Trabalho de Conclusão de Curso, Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Goiás, UFG, Goiânia – GO, 76p. ROBERTSON, P. K.; CAMPANELLA, R. G. Interpretation of cone penetration tests. Canadian Geotech. Journal, v. 20, n. 4, p. 718-733, 1983. SCHNAID, F., ODEBRECHT, E. Ensaios de Campo e suas aplicações à Engenharia de Fundações. Editora Oficina de Texto, SãoPaulo, 2012, 223p.
Compartilhar