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3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 2 CAPÍTULO 1 Investigações Geotécnicas 1.1 Introdução O conhecimento adequado do subsolo é fator essencial para a elaboração dos projetos geotécnicos, colaborando para obtenção de soluções tecnicamente mais seguras e economicamente viáveis. Para identificar e classificar as diversas camadas componentes do substrato e avaliar suas propriedades de engenharia deve-se realizar um programa de investigação, que leve em conta a importância e o tipo de obra, bem como, a natureza do subsolo. Um programa de investigação deve fornecer as informações do subsolo necessárias em projeto tais como: ♦ Espessura e caracterização das camadas do subsolo através de ensaios in situ e em laboratório; ♦ Profundidade do topo da camada rochosa ou material impenetrável ao amostrador, além do tipo e condições da rocha; ♦ Posição do nível d’água (N. A.). ♦ Propriedades geotécnicas do solo das camadas e da rocha, tais como: permeabilidade, compressibilidade e resistência ao cisalhamento. A execução de um programa de investigação é feita em etapas sucessivas definidas como: reconhecimento, prospecção e acompanhamento. a) Reconhecimento Nessa etapa deve-se obter informações necessárias ao desenvolvimento de estudos iniciais de obras que ocupam grandes áreas, como barragens e estradas. Consta da consulta a mapas geológicos, aerofotos, trabalhos já executados no local, coleta de dados com moradores da região, além da vistoria na região de um engenheiro de solos. Todas as informações coletadas devem ser suficientes para a realização do programa da etapa seguinte. 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 3 b) Prospecção Nesta etapa deve-se obter informações sobre caracterização do subsolo, através de ensaios in situ e em laboratório, de acordo com as necessidades do projeto ou do estágio no qual a obra se encontra, e pela sua complexidade pode ser subdividida em preliminar e complementar. A prospecção preliminar deve obter dados suficientes de maneira que se permita localizar as estruturas principais do projeto com as estimativas de seus custos, bem como a viabilidade técnico-econômica da obra. Consta da determinação da espessura das camadas, da investigação das áreas de empréstimos e determinação do volume de cada uma delas, da determinação das propriedades e comportamento do solo através de ensaios de laboratório em amostras deformadas e indeformadas coletadas nas regiões interessadas, da elaboração de mapas geológicos da região e de outras atividades convenientes. A prospecção complementar deve realizar investigações adicionais, de modo a finalizar o programa anterior e assim, preparar o edital de concorrência e elaborar a especificação de construção. c) Acompanhamento Esta etapa tem seu início durante a construção e continua após o término da obra, de modo a comparar o comportamento previsto do solo e o realizado pelo mesmo, além de avaliar as hipóteses de projeto. Consta do programa de instrumentação, de acordo com as necessidades do projeto, para medida da posição do nível d’água, de pressão neutra, de recalques, de deslocamentos e de outras medidas que foram convenientes. 1.2. Ensaios de investigação 1.2.1. Sondagem de simples reconhecimento e o Standard Penetration Test (SPT) A sondagem à percussão é um ensaio in situ muito utilizado, pois permite a retirada de amostras deformadas do solo, além da medida de sua resistência, quando associada ao ensaio de penetração dinâmica (SPT). No Brasil, a sondagem de simples reconhecimento foi introduzida em 1939 pela Seção de Solos e Fundações do Instituto de Pesquisas 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 4 Tecnológicas (IPT) e sua execução está atualmente normalizada pela Associação Brasileira de Normas Técnicas através da Norma Brasileira NBR 6484/97. A execução dessa sondagem é recomendada quando se deseja conhecer: ♦ O tipo de solo atravessado através da retirada de amostra deformada a cada metro perfurado; ♦ A resistência (N) oferecida pelo solo à cravação do amostrador padrão também a cada metro perfurado ♦ A posição do nível d’água, quando encontrado durante a perfuração. Ao iniciar a sondagem deve-se determinar, na planta da área a ser investigada, os pontos a serem sondados que devem estar distanciados de 15 a 30 metros, salvo especificações. No caso de edificações procura-se posicionar essas sondagens próximas às áreas de maior concentração de cargas. No caso de sondagens preliminares em áreas extensas, à distância entre os pontos pode variar de 50 a 100 metros. Deve-se evitar sempre um único ponto de sondagem, assim como pontos alinhados. A NB-12/78 sugere um número mínimo de sondagens a serem realizadas, em função da área construída, conforme mostra a Tabela 1.1. Depois de marcados os pontos em planta, esses devem ser locados e nivelados no terreno em relação ao um nível de referência (RN) fixo e bem determinado, de preferência único para toda obra e fora da mesma. Tabela 1.1. Número mínimo de sondagens (NB-12/78). Área construída (m2) Número mínimo de furos 200 2 200 - 400 3 400 - 600 3 600 - 800 4 800 - 1000 5 1000 - 1200 6 1200 - 1600 7 1600 - 2000 8 2000 - 2400 9 > 2400 a critério A sondagem inicia-se com a montagem no terreno de um tripé, cujo topo está montado um conjunto de roldanas por onde passa uma corda, usualmente de sisal. Essa 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 5 montagem permite o manuseio da composição de hastes e do levantamento do martelo de massa de 65 kg., conforme ilustra a Figura 1.1. Figura 1.1. Conjunto tripé, roldanas, corda e martelo. Após a montagem do tripé, inicia-se a abertura do furo com o trado cavadeira (ou concha), de 100 mm de diâmetro, até a profundidade de 1 metro, quando se deve colocar o primeiro seguimento do revestimento (diâmetro de 100 mm ou 4’’) dotado de sapata cortante na sua ponta para permitir a cravação dos segmentos seguintes. O segmento 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 6 apóia-se no nível do terreno por meio de uma braçadeira. Parte do solo, coletado pelo trado concha, pode ser devidamente acondicionada para a realização dos ensaios de laboratório, definida como amostra inicial. A Figura 1.2 ilustra os equipamentos utilizados na sondagem. A partir daí, retira-se o trado cavadeira e coloca-se o amostrador padrão (34,9 mm e 50,8 mm de diâmetros interno e externo, respectivamente) na extremidade do seguimento da haste (diâmetro de 25,4 mm) apoiando-o no fundo do furo. A seguir deve-se fixar a cabeça de bater no topo da haste e apoiar o martelo sobre a cabeça de bater e observando eventual penetração da haste no solo. Logo após, a partir de um ponto fixo qualquer, marca-se sobre a haste, com um giz, por exemplo, três segmentos de 15 cm cada um. Figura 1.2. Equipamentos utilizados na sondagem de simples reconhecimento. O martelo é elevado manualmente a uma altura de 75 cm, contado a partir do topo da cabeça de bater, e deixado cair em queda livre, possibilitando a penetração do amostrador padrão no solo, conforme ilustra a Figura 1.3. O martelo possui uma haste- guia para mantê-lo na vertical durante sua queda e nesta haste há uma marca próxima a sua ponta dá a referência de 75 cm de altura. 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 7 Esta operação é repetida até o amostrador padrão penetrar 45 cm, contando o número de golpes necessários para a cravação de cada 15 cm de penetração. O resultado do ensaio de penetração é expresso pelo número de golpes necessários para a cravação dos 30 cm finais,conhecido como N. Este procedimento é conhecido como ensaio Standard Penetration Test (SPT). Figura 1.3. Esquema para a execução do SPT. A coleta da amostra deformada é feita com a retirada e abertura do amostrador padrão e realizada sua identificação visual-táctil no próprio local. Logo após, essa amostra é adequadamente acondicionada e levada ao laboratório para a realização de ensaios específicos. Logo após, prossegue-se a abertura do furo até a cota seguinte, no caso de 2 metros, utilizando o trado helicoidal que retira o solo quando este tem determinada coesão e não está sob o nível d’água. Quando se encontra solo de alta resistência, ou água do lençol 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 8 freático, não é mais possível avançar com o trado helicoidal, desse modo a perfuração continua com circulação de água. A circulação de água é realizada com o emprego de uma motobomba, uma caixa d’água com divisória para decantação e um trépano, o qual é acoplado na extremidade da composição haste (Figura 1.4.). A água é injetada nessa composição e no solo por orifícios laterais ao trépano, o qual sendo submetido também por rotações da composição de haste, rompe a estrutura do solo. O solo misturado à água retorna à superfície e é despejado na caixa d’água, onde o material mais pesado decanta e permanece no fundo, para posterior coleta e análise. Figura 1.4. Esquema para o ensaio com circulação de água. 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 9 O processo continua injetando mais água criando, dessa forma, um circuito fechado de circulação de água. Quando as paredes do furo forem, ou se tornarem, instáveis deve-se cravar tubos de revestimentos de 2½” de diâmetro (eventualmente 3”) e prosseguir com o ensaio internamente a eles. Assim, o furo vai avançando em profundidade, e a cada metro é medida a resistência do solo e coletada amostra do amostrador para a caracterização do perfil. A identificação e classificação das amostras devem ser realizadas seguindo os procedimentos da NBR 7250/82, através de testes visuais e tácteis. Deve-se definir características granulométricas, de plasticidade, presença acentuada de mica, origem orgânica ou marinha, se o solo é residual e cores predominantes. As cores devem ser definidas como: branco, cinza, preto, marrom, amarelo, roxo, azul e verde. Pode se utilizar os adjetivos claro e escuro. Se houver mais de duas cores predominantes, utiliza-se o termo variegado. O nome dado ao solo não deverá conter mais do que duas frações. A classificação do solo quanto ao N, obtido a cada metro, é feita quanto à compacidade (para solos grossos) e consistência (para solos finos), conforme indica a Tabela 1.2. Os resultados das sondagens devem ser apresentados em forma de relatório que deverá fornecer dados gerais sobre o local e o tipo de obra e descrição sumária sobre os equipamentos, além de uma planta de localização dos furos, do nível de referência (R.N.) adotado e do perfil de cada furo (Figura 1.5.). Em cada perfil deve constar a seguinte informação: ♦ Número de sondagens; ♦ Cota da boca do furo; ♦ Datas de início e término da sondagem; ♦ Posições das amostras colhidas e das não recuperadas; ♦ Profundidades das diversas transições entre camadas e do fim do furo; ♦ Índices de resistências à penetração (N); ♦ Identificação, classificação e a convenção gráfica das amostras segundo a NBR 6502/80; ♦ Posição do nível d’água (N.A.) e a data de observação; 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 10 ♦ Processos de perfuração empregados e profundidades atingidas: TH - trado helicoidal, CA - circulação de água; ♦ Cota da boca do tubo de revestimento. Tabela 1.2. Classificação segundo o SPT. AREIAS Número de Golpes (N) Grau de Compacidade 0 - 4 Fofa 5 - 8 Pouco Compacta 9 - 18 Medianamente Compacta 19 - 40 Compacta > 40 Muito Compacta ARGILAS Número de Golpes (N) Grau de Consistência 0 - 2 Muito Mole 3 - 5 Mole 6 - 10 Média 11 - 19 Rija > 19 Dura 1.2.2. Standard Penetration Test com medidas de torque (SPT-T) O torque é medido após a execução dos SPTs e o equipamento é constituído por torquímetro, chave soquete, disco centralizador e pino adaptador, descritos a seguir. A idéia da medida do torque foi iniciada por RANZINI (1988) e introduzida nos procedimentos de sondagem por DÉCOURT & QUARESMA FILHO (1991, 1994). O torquímetro é um equipamento mecânico capaz de medir torque, devendo, para esse caso, ter uma capacidade mínima de 50 kgf x m com ponteiro de arraste. A chave soquete é uma ferramenta sextavada utilizada para atarraxar e desatarraxar pinos ou porcas. O disco centralizador é um disco de aço com diâmetro externo de 3” e vazado no centro com furo de 1 1/4”, que permite manter a composição de hastes da sondagem centralizada com relação ao tubo de revestimento. Na face inferior este disco possui um sulco de 4 mm de largura, 4 mm de profundidade e 2 ½” de diâmetro para encaixe no tubo de revestimento (diâmetro de 2 ½”). O pino adaptador consta de um tarugo de aço sextavado com diâmetro de 1 ¼” e com rosca BSP de 1” em uma das extremidades. 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 11 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 12 Figura 1.5. Apresentação do perfil de um furo de sondagem tipo SPT. Co ta s (m ) e m re l.à R . N . Av a n ço do fu ro R e ve st im e n to N Tm áx im o Tm ín im o Pr o f.(m ) d a s ca m a da s 1 1 1,5 0 1 = 1,00 30 16 1,5 0 0 1,46 1 2 2 2,7 0 2 = 15 20 25 2,7 0 0 2,6 1 2 2 3,3 0 3 = 15 18 18 3,3 0 0 3,51 2 2 1 2,6 0 4 = 19 20 15 2,6 0 0 4,54 2 3 2 3,5 0 5 = 15 20 23 3,5 0 0 5,58 3 3 3 4,6 2 6 = 20 19 20 4,6 2 1 6,59 3 3 3 5,0 2 7 = 15 18 18 5,0 2 1 7,51 3 4 5 8,5 8 8 = 17 15 16 8,5 8 5 8,48 3 4 8 12,0 9 9 = 15 15 15 12,0 9 5 9,45 2 5 9 14,0 10 10 = 15 15 15 14,0 10 7 10,45 4 6 6 10,3 12 11 = 15 18 17 10,3 12 9 11,5 8 8 15 20,5 18 12 = 17 15 18 20,5 18 12 12,5 8 8 11 19,0 15 13 = 15 15 15 19,0 15 13 13,45 4 8 15 23,0 27 14 = 15 15 15 23,0 27 20 14,45 pintas 18 21 27 48,0 40 15 = brancas 15 15 15 48,0 >40 15,45 veios verdes variegada (vermelho) 16 16 17 17 18 18 19 19 20 m 20 Interessado: Obra: Local: R.N. (m): 584,42 início: 24/11/1997 Cota (m) furo: 584,84 término: 10/12/1997 Escala vertical: 1/100 Visto: Patrick OP=poços a céu aberto relatório: RSP-CEEG furo: SP6 DCCi - Departamento de Construção Civil do Centro de Tecnologia e Urbanismo - UEL CEEG "Professor Saburo Morimoto" Informações gerais RESULTADOS DOS ENSAIOS "SPT-T" n.o de golpes pela penetração (cm) N (n.o de golpes) T máx - - - - (kgf.m) 10 20 30 40 50 Pr o f. (m ) N . A. Po siç ão e n . o da s a m o st ra s DESCRIÇÃO DO SUBSOLO ANÁLISE VISUAL-TÁTIL TH* TH ARGILA SILTOSA, POROSA, Legenda: TH*=trado hel. D=76 mm TH=trado hel. D=57 mm ARGILA SILTOSA, CTU - Campus da UEL CA=circulação d'água R.N.=conforme locação N.A.=após estabilização +SP=furos de sondagem Locação esquemática: Relatório individual de sondagem Revestimento: De=73,0mm Di=63,5mm Amostrador: Raymond De=50,8mm Di=34,9mm MUITO MOLE a MÉDIA, vermelho escura vermelho escura RIJA a DURA, Término da sondagem DURA, ARGILA SILTOSA, RESIDUAL, 15,45 15 14 1312 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 N ão fo i e n co n tra do N . A. em 10 /1 2/ 97 9,00 14,00 1,00 580 575 570 565 Laboratório de Geotecnia UEL 15,00 N CTU R.N. (marco de concreto) +SP1 N +SP2 +SP3 +SP4 Es ta cio n a m e n to do CT U +SP6 +SP5 Laboratórios área do CEEG SP9+ +SP7 +SP10 +SP8 +SP11 +SP12 +SP13 + SP14 P2 P1 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 13 A execução do ensaio inicia-se após o ensaio de SPT, retirando a cabeça de bater e colocando o disco centralizador até apoiar no tubo de revestimento. O pino adaptador é rosqueado, logo após, na luva onde estava acoplada a cabeça de bater. A chave soquete (com medida tal que se ajuste perfeitamente à parte sextavada do pino) é encaixada no pino, e nessa chave acopla-se o torquímetro. A rotação da haste da sondagem é iniciada por um operador utilizando o torquímetro como braço de alavanca, sempre na horizontal. Um segundo operador deve acompanhar a leitura do torquímetro anotando o valor de torque máximo lido e após este, dando no mínimo uma volta completa, o valor do torque residual, terminando assim a rotação das hates. O procedimento é repetido a cada metro e os valores obtidos devem ser anotados na planilha e apresentados no relatório final. A Figura 1.6 ilustra o procedimento de leitura do torque no ensaio SPT-T. Figura 1.6. Esquema de leitura do torque no ensaio SPT-T. 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 14 A relação entre o valor do torque medido em kgf x m pelo valor N do SPT (T/N) é conhecida como Índice de Torque (TR), que consta de uma correlação a qual leva em conta a estrutura dos solos. A relação T/N para alguns solos é aproximadamente constante, como é o caso dos solos da bacia sedimentar terciária de São Paulo que possui o valor 1,2 para essa relação. Deste modo, como os valores de torque sofrem menores interferências do processo executivo na estrutura dos solos do que os valores de N, propôs-se a utilização preferencial do torque e o conceito do N equivalente (Neq), como sendo a relação do valor do torque T (kgf x m) dividido por 1,2. 1.2.3. Sondagem rotativa A sondagem rotativa é empregada na perfuração de rochas, de solos de alta resistência e de matacões ou blocos de natureza rochosa. O equipamento compõe-se de uma haste metálica rotativa dotada, na extremidade, de um amostrador, que dispõe de uma coroa de diamante (Figuras 1.7a e 1.7b). O movimento de rotação da haste é proporcionado pela sonda rotativa, que se constitui de um motor, de um elemento de transmissão e um fuso que imprime às hastes os movimentos de rotação, recuo e avanço. A haste é oca e, por injeção de água no seu interior, consegue-se atingir o fundo da escavação, por meio de furos existentes no amostrador. Esta água tem a função de refrigerar a coroa e carregar os detritos da perfuração no seu movimento ascensional. Tal como no processo à percussão, quando as paredes do furo mostrarem-se instáveis, pondo em risco a coluna de perfuração, que poderia ficar presa, usa-se um tubo de revestimento metálico, com diâmetro nominal superior ao das hastes. Em outras ocasiões, emprega-se o revestimento do furo, quando, atravessando camadas permeáveis ou bastante fraturadas, houver grande perda de água de circulação. As coroas são peças de aço especial, com incrustações de diamante ou wídia nas suas extremidades. O efeito abrasivo da coroa desgasta a rocha e permite descida do furo de revestimento e o alojamento do testemunho, no interior do amostrador. 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 15 Figura 1.7a. Sonda Rotativa. 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 16 Figura 1.7b. Sonda Rotativa/Coroa. 1.2.4. Poços de inspeção e amostragem Os poços de inspeção são abertos manualmente e utilizados quando o material a ser amostrado é estável e encontra-se acima do nível d’água, ou quando na presença de água, esta pode ser esgotada para retirada das amostras indeformadas. Os poços de inspeção devem ter diâmetro mínimo de 80 cm para permitir a entrada das pessoas para inspeção do perfil e retirada de amostras indeformadas. A amostra indeformada deve ser representativa do solo quanto a composição granulométrica e mineral, teor de umidade e estrutura. A amostragem manual é realizada à superfície do terreno ou no interior de um poço de inspeção, esculpindo o solo ou utilizando um molde cúbico de 30 cm de aresta ou cilíndrico de diâmetro de 30 cm. Para que o processo de amostragem se inicie, a abertura do poço de inspeção deve ser interrompida 10 cm acima da cota de topo do bloco. O molde deve revestir a amostra e protegê-la e no momento de sua cravação deve entrar justo, porém sem cortar as suas paredes. Logo após a cravação total, deve ser aplicada, sobre o topo do bloco, uma camada de parafina e colocada uma etiqueta com informações sobre a localização da amostra. 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 17 A Figura 1.8 ilustra o procedimento de separação da amostra do solo. Quando a base é recortada, aplica-se uma camada de parafina e logo depois se retira o molde e aplica- se também parafina nas paredes laterais do bloco, mantendo por um bom período, o teor de umidade natural de campo. Figura 1.8. Amostra em bloco. A primeira camada de parafina preserva o teor de umidade do solo, mas não a estrutura do mesmo, sendo necessário revestir o bloco com um tecido poroso, tela ou estopa e aplicar a segunda camada de parafina. Desta forma o bloco está pronto para ser levado para o laboratório, sendo transportado em caixas com serragem. Em laboratório o 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 18 bloco deve ser colocado em câmara úmida, fora das caixas, mantendo uma umidade relativa do ar, próxima a 100 %. Amostras Shelby Essas amostras são retiradas com amostradores de parede fina, de latão ou alumínio ou até em aço inoxidável, denominados Shelby. Esses amostradores possuem diâmetros de 4” e 3” e são utilizados para solos de baixa consistência, com auxílio de equipamento de sondagem a percussão com tubos de revestimentos com diâmetro nominal de 6” (Figura 1.9)”. Figura 1.9. Amostrador Shelby 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 19 Na cota de início de amostragem, no fundo do furo aberto, limpa-se o fundo e posiciona-se o amostrador. Inicia-se a cravação desse amostrador no solo utilizando um sistema de cabo de aço, observando para que não penetre mais que o seu comprimento, acarretando na compactação da amostra e conseqüentemente na alteração de sua estrutura. Logo após, retira-se o amostrador do interior do furo e aplica-se parafina em todas as extremidades da amostra. Amostras Denison Os amostradores Denison, acoplados em sondas rotativas com tubos de revestimento de diâmetro HW, são os responsáveis pela retirada dessas amostras compostas por solos com certa resistência e situados abaixo do nível d’água (Figura 1.10). Figura 1.10. Amostrador Denison 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 20 Esses amostradores possuem em seu interior uma camisa de latão que acondiciona a amostra durante sua retirada, com diâmetro nominal da ordem de 2 ½”. Durante o procedimento de retirada da amostra, a mesma não fica em contato com a água da perfuração e não sofre movimento de rotação do amostrador. Os mesmos cuidados, relativos à manutenção e ao transporte das amostras indeformadas, retiradasmanualmente, devem também ser observados para as amostras dos tipos Shelby e Denison. 1.2.5. Penetrômetros de Cone Os penetrômetros de cone medem a resistência a penetração do solo em função da energia de cravação dinâmica e estática. Esses equipamentos possuem ponta fechada e por isso não são capazes de retirar amostras do solo. 1.2.5.1. Ensaios de penetração de cone dinâmica Os penetrômetros dinâmicos (Figura 1.11) são cravados no solo pelo auxílio da queda livre de um martelo e, conforme a altura de queda livre (energia de cravação) e massa do martelo são classificados em leves, médios, pesados e super pesados (Tabela 1.3). Os ensaios são realizados com velocidade constante de cravação definida para cada tipo de ensaio. Tabela 1.3. Dados técnicos dos equipamentos. Fatores DPL DPM DPH DPSH Massa do martelo (kg) 10 ± 0,1 30 ± 0,3 50 ± 0,5 63,5 ± 0,5 Altura de queda (m) 0,5 ± 0,01 0,5 ± 0,01 0,5 ± 0,01 0,75 ± 0,02 No de golpes por cm de penetração 10 cm; N10. 10 cm; N10. 10 cm; N10. 20 cm; N20. A resistência à penetração dinâmica é definida como o número de golpes necessários à cravação de uma certa profundidade do solo (X cm) definida para cada tipo de ensaio, e calculada conforme a expressão: 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 21 R N M H M M Ad x m m h p = ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ 4 2 ( ) onde: Rd: Resistência à penetração, em unidades de pressão; Mm: massa do martelo; Mh: massa total das hastes; H: altura de queda do martelo; Ap: área da ponta do penetrômetro; Nx: Número de golpes necessários para a cravação de X cm. O resultado é apresentado em gráficos cotas versus número de golpes (Nx) ou resistência à penetração (Rd). Os ensaios de penetrômetros são de custo baixo e execução rápida, fatores positivos para a prospecção de grandes áreas, porém não são capazes de obter amostras. Figura 1.11. Penetrômetros dinâmicos Os penetrômetros estáticos medem a resistência à penetração estática do solo e são mais conhecidos como cones, podendo ter um sistema de leitura mecânico ou elétrico, ambos capazes de determinar as resistências da ponta e do atrito lateral. Os penetrômetros estáticos conhecidos como piezocones também são capazes de medir pressão neutra. φ 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 22 1.2.5.2. Ensaios de penetração de cone (Cone Penetration Test - CPT) Ensaio do cone holandês ou mecânico O ensaio de cone holandês, ou ensaio de cone mecânico, desenvolveu-se na década de 30, e tinha como objetivo inicial obter dados para o projeto de fundações em estacas. Existem dois tipos desses equipamentos que diferem somente quanto ao dispositivo de cravação, constituindo ambos de um conjunto de hastes, que atuam internamente a tubos de revestimentos, tendo na extremidade um cone com ângulo de vértice de 60° e uma base de 10 cm2 (Figura 1.12a). Figura 1.12. Cone holandês ou mecânico O método de execução do ensaio CPTU (MB 3406/91) inicia-se com a cravação a uma velocidade de 1 cm/s ou 20 ± 5 mm/s, de forma alternada, apenas o cone ou todo o conjunto (hastes com o cone e os tubos). As cargas necessárias para a cravação são registradas a cada 20 cm de avanço da ponteira; em um dos equipamentos apenas a resistência de ponta e no outra também a resistência total (ponta somada ao atrito lateral). 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 23 Este ensaio tem como vantagens: a rapidez de execução, a confiabilidade dos resultados, o baixo custo e o fato de que se obtêm numerosos resultados ao longo da profundidade ensaiada. A prática de determinação do atrito lateral total, ao longo das hastes de cravação, conduz a resultados não muito confiáveis, pois à medida que mais hastes vão passando num determinado local, o atrito é diminuído. Desta forma, BEGEMAN (1963) sugere o emprego de uma luva de atrito lateral, ou friction jacket cone, com 150 cm2 de área lateral, conforme ilustra a Figura 1.13. Figura 1.13. Cone mecânico de atrito (BEGEMAN, 1963). O procedimento de ensaio do cone de atrito consiste em cravar inicialmente apenas o cone ao longo de 4 cm, registrando-se apenas a resistência de ponta. Em seguida as hastes internas são avançadas mais 4 cm, fazendo com que seja cravado o conjunto: cone e luva de atrito. Neste caso é medida a resistência de ponta acrescida da resistência de atrito lateral, sendo essa última obtida por diferença. Procede-se à descida das hastes externas ao longo de 20 cm, as quais trazem consigo a luva de atrito por 16 cm e o cone por 12 cm. Repetindo o procedimento 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 24 consegue-se definir o atrito lateral local. É importante lembrar que a NBR 12069 estabelece 35,5 mm tanto para a penetração do cone como para o conjunto cone e luva de atrito e uma penetração total de 71 mm. Ensaio do cone elétrico O cone elétrico tem geralmente as mesmas dimensões do cone mecânico e na maioria dos casos possui uma luva cilíndrica com o mesmo diâmetro da ponta cônica acima da base eliminando a forma de tronco de cone e não deixando qualquer espaço no solo pela sua passagem (Figura 1.14). Existem dois tipos de cones elétricos: os que permitem medir apenas a resistência de ponta e os capazes de determinar também o atrito lateral; estes últimos conhecidos como cones elétricos de atrito. Figura 1.14. Cone elétrico A resistência de ponta é medida através de uma célula de carga, trabalhando à compressão, com strain gages situados de forma a compensar tensões oriundas de flexão. Um conjunto de hastes metálicas de 1 m de comprimento transmite a força de cravação da máquina do cone. Interiormente às hastes passa o cabo de alimentação do cone. A resistência de ponta é obtida continuamente (dados analógicos) ou em intervalos centimétricos (dados digitalizados), e os valores correspondentes podem ser registrados em gráfico simultaneamente à realização do ensaio. 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 25 A resistência de atrito lateral é medida através de uma célula de carga, convencionalmente trabalhando à tração, fixada à luva de atrito (150 cm2), a qual é situada logo acima da base. A ponta cônica e a luva de atrito são mecanicamente independentes. O cone elétrico permite que se visualize a resistência de ponta e o atrito lateral durante a realização do ensaio (Figura 1.15). Figura 1.15. Resultado dos ensaios de CPT Principais fatores de influência Sérios erros podem resultar se a composição de hastes se desviar da vertical durante o ensaio, sobretudo em ensaios profundos. Desse modo a NBR 12069 recomenda o uso de inclinômetro em ensaios com profundidades superiores a 25 m. A temperatura também pode influenciar na avaliação das cargas obtidas pelos cones. No caso do clima brasileiro, o cone deve estar sempre protegido, à sombra, em algum local cuja temperatura esteja próxima à do terreno, por ocasião da leitura inicial. 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 26 Capacidade das células de carga de ponta, na maioria dos cones, situa-se na faixa entre 50 a 80 kN. No caso de depósitos de argilas moles e médias as células trabalham em faixas de carga muito baixas em relação à suas capacidades, acarretando numa perda de acurácia. As tensões geradas pela cravação forçam o solo para o interior das ranhuras existentes entre o cone e a luva de atrito e, entre esta e a parte superior do corpo do penetrômetro, o que sugere o emprego de selos para o solo, constituídos, geralmente, por anéis de borracha. 1.2.5.3. Piezocone (CPT-U) O piezocone é um tipo de cone elétrico o qual é associado a uma sonda piezométrica.A sonda piezométrica constitui-se, basicamente, de uma ponta cônica tendo em sua extremidade um elemento poroso cilíndrico conectado a um transdutor elétrico de pressão, que permite a leitura das poro-pressões geradas durante a cravação do cone e do tempo necessário à sua dissipação. Quanto à posição do elemento poroso no piezocone, desde o início existiu uma forte discussão acerca da melhor posição para instalá-lo, embora a base do cone seja a posição adequada para se fazer a correção da resistência de ponta. A Figura 1.16 mostra as principais posições do elemento poroso. Correções da resistência de ponta e do atrito lateral A ação da água sobre as ranhuras do cone acarreta erros de leitura da resistência de ponta (qC), principalmente no caso de argilas moles, onde a poro-pressão gerada é grande quando comparada à resistência de ponta. A expressão seguinte ilustra a correção da resistência de ponta qc em função da poro-pressão medida na base do cone u2: q q u aT c= + ⋅ −2 1( ) onde: qt: resistência de ponta corrigida; a = AN/AT: relação de áreas (Figura 1.17) 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 27 Figura 1.16. Principais posições para instalação do elemento poroso no piezocone Figura 1.17. Poro-pressões influenciando a medida da resistência de ponta 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 28 Quando a poro pressão não é medida na base do cone a expressão da correção é dada por: q q k u a T c c = + ⋅ ⋅ −( )1 onde: kc = u2 / u: fator de correção, o qual depende da posição relativa entre o elemento poroso e a base do cone; u: poro-pressão medida A correção do atrito lateral medido é dada pela expressão: f f u A A u A AT s sb st = − ⋅ + ⋅2 3 l l onde: fT: atrito lateral corrigido Asb, Ast: áreas da base e do topo da luva de atrito, respectivamente. A l : área lateral da luva de atrito Correlações SPT-CPT A seguir são apresentadas correlações entre os resultados de ensaios SPT e CPT (K), realizados no Brasil, para solos do Rio de Janeiro e de São Paulo. A Tabela 1.4 apresenta os valores de N do SPT, para os solos do Rio de Janeiro, e a Tabela 1.5 para os solos de São Paulo, ambos sem qualquer correção, ou seja, para as condições de energia usualmente empregadas no Brasil. 1.2.6. Ensaio de palheta (Vane Test) O método de ensaio da palheta ou Vane Test (MB 3122/89) mede a resistência ao cisalhamento não drenada de solos coesivos moles saturados. O equipamento consta de uma palheta colocada na extremidade inferior das hastes e uma mesa, situada na boca do furo, contendo um dispositivo de aplicação do momento de torção e acessórios para medida dos momentos e deformações (Figura 1.18). 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 29 O diâmetro e a altura da palheta devem manter uma relação constante de 1:2, sendo o mais usual diâmetro de 65 cm e altura de 130 cm, embora existam outras relações que podem ser utilizadas dependendo do tipo de solo, pois solos mais moles requerem palhetas maiores conforme recomendação de norma. O ensaio inicia-se com um processo qualquer de abertura de um furo, instalando a palheta dentro do mesmo, na cota de ensaio, tomando o cuidado para não amolgar o solo a ser ensaiado. Tabela 1.4. Valores sugeridos de K (DANZIGER e VELLOSO, 1986, 1995). Tipo de Solo Valores sugeridos de K (qc = KN, K em MPa/golpe/0,30 m). areia 0,60 areia siltosa, areia argilosa, areia com argila e silte 0,53 silte, silte arenoso, argila arenosa 0,48 silte com areia e argila, argila com silte e areia 0,38 silte argiloso 0,30 argila, argila siltosa 0,25 Tabela 1.5. Valores sugeridos de K (ALONSO, 1980). Tipo de Solo Valores sugeridos de K (qc = KN, K em MPa/golpe/0,30 m) areia argilosa 0,56 - 0,941 areia fina argilosa pouco siltosa 0,64 areia argilo siltosa 0,61 areia argilosa pouco siltosa 0,38 areia pouco argila pouco siltosa 0,60 silte arenoso (residual) 0,52 silte arenoso pouco argiloso (residual) 0,31 - 0,33 - 0,34 silte argilo arenoso (residual) 0,33 silte pouco arenoso pouco argiloso (residual) 0,26 silte pouco argiloso pouco arenoso (residual) 0,50 silte argiloso com areia fina 0,21 argila arenosa 0,27 argila silto arenosa 0,35 argila siltosa pouco arenosa 0,33 - 0,28 argila siltosa (residual) 0,72 1 Mais de um valor na tabela indica mais um local onde houve correlações 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 30 Após a cravação, espera-se o tempo de 1 minuto para girar a manivela a velocidade constante de 6°°°°/min, fazendo medidas da deformação do anel dinanométrico a intervalos de tempo, até atingir o momento torçor máximo. Em seguida deve-se girar a manivela rapidamente com um mínimo de 10 revoluções para se garantir o amolgamento da argila. Imediatamente após, deve-se realizar novo ensaio para se medir a resistência da argila amolgada e, consequentemente, determinar a sensibilidade da argila (Figura 1.19). Figura 1.18. Equipamento de ensaio de palheta (Vane Test) 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 31 A sensibilidade de uma argila é um parâmetro capaz de quantificar influência da estrutura na resistência ao cisalhamento, calculada pela relação entre as resistências nos estados indeformado e amolgado, conforme a expressão: S S St u ind u amo = , , lg Figura 1.19. Resistência de uma argila no estado indeformado e amolgado Alguns autores recomendam dobrar a velocidade de rotação para profundidades superiores a 15 metros, devido à flexibilidade à rotação do sistema de hastes que transmite o torque até a superfície. Durante a rotação da palheta é desenvolvida uma resistência ao cisalhamento, ao longo da superfície lateral da haste, base e topo do cilindro gerado. Admite-se que, no instante da ruptura, o momento resistente é igual ao momento de torção aplicado, determinando assim a resistência não drenada da argila representada pela coesão não drenada (cu). O momento aplicado é igual a soma dos momentos desenvolvidos ao longo da superfície lateral, no topo e na base do cilindro, admitidos constantes, conforme a expressão: T T Tb= +l 2 onde: 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 32 Tllll : momento torçor ao longo da superfície lateral: T d H cul = ⋅ ⋅ ⋅ pi 2 2 Tb : momento torçor ao longo do topo e da base: T c d b u= ⋅ ⋅pi 3 12 Substituindo ambas as ultimas expressões na primeira e considerando H = 2d, tem-se o valor da resistência não drenada (Su) da argila: S c d Tu u= = ⋅ ⋅ ⋅ 6 7 3pi 1.2.7. Pressiômetros de MÉNARD e auto-perfurantes O pressiômetro foi idealizado pelo Eng. francês Louis de Ménard em 1957 e é utilizado para a determinação in situ das características de resistência e compressibilidade de solos e rochas. O equipamento é constituído por três partes: a sonda, a unidade de controle e as tubulações, conforme ilustra a Figura 1.20. A sonda possui três células capazes de se dilatarem quando solicitadas, porém somente a do centro determina as características do solo; as células das extremidades têm a função de proteção e estabelecer um campo de tensões homogêneo na região de ensaio. A unidade de controle fica à superfície e contém um depósito de CO2 e manômetros para medir a pressão aplicada nas três células individualmente. As tubulações se encontram entre a unidade de controle e a sonda e podem ser coaxiais ou separadas, dependendo do tipo de pressiômetro. O ensaio inicia com a abertura do furo, de mesmo diâmetro do pressiômetro, tomando o cuidado para que as suas paredes não sofram alteração, ou seja, elasdevem se comportar como amostras indeformadas, ao contrário do procedimento para retirada de amostras indeformadas (Figura 1.21). Isso explica porque não se pode aproveitar um furo de amostragem por amostradores de parede fina para realizar o ensaio pressiométrico. A distância entre pontos ensaiados não deve ser inferior a 50 cm, de modo que um ensaio não sofra interferência do outro. Quando as condições do terreno são adversas, pode-se também introduzir o pressiômetro no interior de um tubo ranhurado. 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 33 Figura 1.20. Esquema de pressiômetro Figura 1.21. Esquema amostragem - perfuração 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 34 Depois de introduzido o pressiômetro no terreno a pressão na célula é aumentada, em estágios, e mantida constante por dois minutos em cada estágio, provocando expansão cilíndrica do solo em volta da mesma. A deformação radial é obtida diretamente pelo volume de água introduzido na célula e as leituras devem ser realizadas em tempos de trinta, sessenta e cento e vinte segundos, devendo ser corrigidas em função da rigidez do próprio sistema. A curva pressiométrica é construída com os pares de valores corrigidos: pressão aplicada e volume d’água injetado, conforme ilustra a Figura 1.22, onde se pode observar três trechos: ♦ 10 trecho de 0 a p0 : refere-se a uma reposição de tensões no solo; ♦ 20 trecho de p0 a pf : refere-se a uma fase pseudo-elástica com variação linear representada pelo segmento AB; ♦ 30 trecho de pf a pllll: refere-se a relação não linear entre pressão- deformação. A pressão tende a um valor assintótico, definida como pressão limite. Figura 1.22. Curva Pressiométrica 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 35 Desta curva são obtidos três parâmetros: ♦a pressão de fluência (pf) correspondente ao último ponto do trecho linear da fase pseudo-elástica; ♦a pressão limite (p llll ); ♦ o módulo de cisalhamento (G) determinado admitindo o solo com comportamento elástico, conforme as expressões (1) e (2), para ensaios realizados no interior de um furo previamente aberto e no interior de um tubo ranhurado, respectivamente: G V V p Vpr c m = + ⋅( ) ∆ ∆ (1) onde: Vc : o volume inicial da célula de medida 2 )( 0 of m VV VV − += V0: volume da célula de medida no início da parte retilínea da curva pressiométrica; ∆ ∆ p V : inclinação da parte retilínea da curva pressiométrica. G V V V V p Vpr c m t m = + ⋅ + ⋅( ) ( ) ∆ ∆ (2) onde: Vt : o volume inicialmente ocupado pelo tubo. O módulo de elasticidade pressiométrico (Ep) é obtido através da teoria da elasticidade: )1(2 ν+⋅= GEp Admitindo coeficiente de Poisson (ν) igual a 0,333 tem-se: prp GE ⋅= 67,2 Os pressiômetros autoperfurantes foram desenvolvidos na década de 70, na França e na Inglaterra e trata-se, respectivamente, dos pressiômetros “Autoforeur” e “Camkometer”, com utilização limitada a alguns tipos de solos. 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 36 1.2.8. Dilatômetro de MARCHETTI O ensaio dilatométrico foi desenvolvido por MARCHETTI, a partir de meados de década de 70 e constitui-se de uma placa de aço inoxidável de 220 mm de comprimento, 95 mm de largura e 14 mm de espessura, com a ponta formando um ângulo de 20°. Em uma das faces apresenta uma membrana metálica de 60 mm de diâmetro, conforme ilustra a Figura 1.23. A placa é cravada no solo de forma estática a uma velocidade constante de 2 cm/s, podendo-se utilizar para tal a mesma máquina do ensaio do piezocone. O ensaio é realizado a cada 20 cm de penetração quando se interrompe a cravação. Na superfície do terreno está localizada uma unidade de controle e de leituras que, através de um tubo de náilon, com um cabo elétrico dentro, passando pelas hastes de cravação, permanece conectada ao dilatômetro. Quando a cravação é interrompida, espera a tempo de 15 seg para aplicação da pressão através da membrana. Deve-se registrar dois valores de pressão na unidade de controle e de medidas: ♦ a leitura A correspondente à posição de repouso (deslocamento zero, p0) ♦ a leitura B correspondente a 1 mm de deslocamento da membrana (p1). As leituras são registradas com auxílio de um sistema de apitos. Quando se inicia a aplicação de pressão, a membrana tem um deslocamento negativo e, nessa condição, um apito se faz ouvir. Com o acréscimo de pressão, há um momento em que a membrana passa pela posição de repouso, cessando então o apito, devendo nesse momento ser registrada a leitura A. Com a pressão ainda crescendo, a membrana atinge um deslocamento de 1 mm, passando-se a ouvir novamente o apito e registrando assim a leitura B. Anos mais tarde, ocorre a introdução de um sensor para melhorar a definição do instante no qual o circuito elétrico é interrompido, obtendo as leituras a 0,05 mm e 1,10 mm, devendo a primeira ser corrigida para deslocamento nulo. A velocidade de aplicação da pressão deve ser tal que a expansão total da membrana seja atingida em 15 a 30 seg, segundo Marchetti. Os intervalos para a leitura A e posteriormente para a leitura B devem ser de 15 seg cada. 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 37 Figura 1.23. Dilatômetro de Marchetti As leituras A e B devem ser corrigidas para levar em conta a rigidez da membrana e a posição do zero do manômetro de leitura, segundo as expressões: 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 38 P B Z BM1 = − − ∆ onde: P0: pressão corrigida correspondente ao deslocamento nulo da membrana; P1: pressão corrigida correspondente ao deslocamento de 1 mm do centro da membrana; A: leitura correspondente ao deslocamento nulo da membrana, sem correção; B: leitura correspondente ao deslocamento de 1 mm da membrana, sem correção; ZM: leitura do manômetro sem pressão aplicada (desvio do zero); ∆∆∆∆A: pressão que deve ser aplicada à membrana ao ar, de modo a mantê-la na posição de repouso; valor obtido graças à aplicação de vácuo, mas anotado como positivo; ∆∆∆∆B: pressão que deve ser aplicada à membrana ao ar, de modo a manter 1 mm de deslocamento no centro. As leituras ∆A e ∆B são feitas no campo, antes e após a realização do ensaio, com o auxílio de um manômetro e de uma seringa. Com a introdução do sensor, as leituras passaram a ser feitas a 0,05 mm e 1,10 mm. Desse modo, utiliza-se a mesma expressão referente a P1 embora, corresponda ao deslocamento de 1,10 mm. Quanto à pressão P0, esta deve corresponder ao valor de repouso, sendo necessária uma correção da expressão, pois A e ∆A passam a corresponder ao deslocamento de 0,05 mm. P A Z A B Z BM M0 105 0 05= − + − − −, ( ) , ( )∆ ∆ Com os valores P0, P1 e ∆P = P1 - P0, são definidos os parâmetros chamados de índices do dilatômetro, os quais são empregados para estimativa de parâmetros geotécnicos. Um deles é o módulo dilatométrico (ED) obtido com a utilização da Teoria da Elasticidade, para um deslocamento de 1,10 mm da membrana, conforme a expressão: ED P= ⋅34 7, ∆ Os índices do material (ID) e da tensão horizontal (KD) são definidos, respectivamente, como: AZAP M ∆+−=0 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 39 I P uD P = − ∆ ( )0 0 e K P u D V = − ′ ( )0 0 0σ onde: u0: poro pressão hidrostática antes da inserção do dilatômetro; σσσσ’v0: tensão vertical efetiva antes da inserção do dilatômetro. O ensaio dilatométrico tem sido utilizado, principalmente, para estimativa de parâmetrosgeotécnicos de argilas moles. Como se inicia a pequena profundidade (20 cm), o ensaio pode ser vantajoso também para pavimentos, fundações rasas e problemas de estacas carregadas lateralmente. 1.2.9. Ensaios geofísicos Os ensaios geofísicos são rápidos e de custo baixo e, geralmente, são utilizados quando a área a ser investigada for grande e não houver necessidade de um detalhamento do subsolo. Nesses ensaios não são retiradas amostras, mas pode-se determinar a profundidade da camada rochosa, localizar irregularidades no subsolo devido a diferentes tipos de materiais e existência e localização do nível d’água. Os ensaios geofísicos mais utilizados na prospecção do subsolo são o ensaio de resistividade elétrica e o ensaio sísmico. O ensaio de resistividade elétrica permite a passagem de corrente elétrica no solo e mede a resistividade elétrica dos materiais constituintes. As diferentes condições do solo são indicadas pela mudança na resistividade, pois camadas que apresentam maiores densidades e menores teores de umidade têm altos valores de resistividade (Figura 1.24). O ensaio sísmico leva em consideração a velocidade de propagação de uma onda no solo, lembrando que a velocidade é maior em um meio mais denso. Este ensaio é muito utilizado na exploração de petróleo (Figura 1.25). 3CIV008 - Fundações e Obras de Terra/UEL 40 Figura 1.24. Ensaio de Resistividade Elétrica Figura 1.25. Ensaio Sísmico θ θ θ θ
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