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MECÂNICA DOS SOLOS I Aula 03 – Unidade 01: Investigação de Solos (parte 02) Professora Msc. Helena Paula Nierwinski Objetivos Esta aula tem como objetivo apresentar a coleta de amostras de solo para ensaios de laboratório e introduzir os ensaios de cone (CPT), palheta (vane test) e dilatômetro. Investigação Geotécnica Amostragem do solo Investigação Geotécnica • Amostragem do solo: Para realização de ensaios de caracterização de solos, bem como, para verificação do tipo de material encontrado, realiza-se a amostragem do solo. Assim como para os ensaios, para a amostragem também existem normas técnicas que regem os procedimentos a serem adotados. Tipos de amostras: - Amostra deformada - Amostra indeformada Investigação Geotécnica • Amostragem do solo: • Amostra deformada Amostra de solo retirada com a destruição ou modificação apreciável de suas características “in situ”; também chamada de amostra amolgada quando ocorre a fragmentação do material amostrado. - Representatividade: textura e constituição mineral - Utilização: na identificação visual e táctil, nos ensaios de classificação (granulometria, limites de consistência e massa específica dos sólidos), no ensaio de compactação, na preparação de corpos de prova REMOLDADOS para ensaios de permeabilidade, compressibilidade e resistência ao cisalhamento. Investigação Geotécnica • Amostragem do solo: • Amostra deformada – obtenção da amostra - Até 1,0 m de profundidade abaixo da superfície do terreno: pás , enxadas, picarretas, etc. - Profundidades maiores: trados ou amostrador específico. A amostra do ensaio SPT também constitui uma amostra deformada de solo, entretanto, a quantidade obtida não permite a realização de muitos ensaios. Investigação Geotécnica • Amostragem do solo: • Amostra deformada – obtenção da amostra trados Investigação Geotécnica • Amostragem do solo: • Amostra deformada – cuidados Toda e qualquer matéria, orgânica ou não, estranha ao solo deverá ser excluída da amostra. Se esta operação for difícil de ser realizada no campo deve-se informar sobre a existência dessa matéria, para que no laboratório sejam tomadas as providências necessárias. Investigação Geotécnica • Amostragem do solo: • Amostra indeformada: Amostra de solo retirada sem ou com pequena modificação de suas características “in situ” com o uso de equipamentos e técnicas apropriadas. Geralmente as amostras indeformadas apresentam forma cúbica ou cilíndrica. - Representatividade: estrutura e teor de umidade do solo (na data de sua retirada), textura e composição mineral. - Utilização: Determinação de parâmetros in situ, visando a simulação das condições de campo em laboratório (ensaios de permeabilidade, compressibilidade – adensamento, resistência ao cisalhamento – cisalhamento direto) Investigação Geotécnica • Amostragem do solo: • Amostra indeformada – obtenção da amostra: A amostra indeformada pode ser obtida de maneiras diferentes, dependendo da profundidade da coleta, da densidade do solo e da posição do lençol freático. - Para solos coesivos (argilosos): - Pequenas profundidade acima do lençol freático – abertura de um poço até a cota de interesse e retirada um bloco de solo ou amostra com cilindro cortante. - Maiores profundidade abaixo do nível do lençol freático – utilização de amostradores de parede fina (shelby). Investigação Geotécnica • Amostragem do solo: • Amostra indeformada – obtenção da amostra: Investigação Geotécnica • Amostragem do solo: • Amostra indeformada – obtenção da amostra: Investigação Geotécnica • Amostragem do solo: • Amostra indeformada – cuidados: - Os cuidados a serem tomados com essas amostras devem ser maiores do que aqueles com uma amostra deformada. (desde a abertura do poço até sua utilização em laboratório) - Estes cuidados com a amostra permitem a manutenção do teor de umidade e da estrutura do solo “in situ”. Investigação Geotécnica • Amostragem do solo: A NBR 9604/86 rege a abertura de poço e trincheira de inspeção em solo, com retirada de amostras deformadas e indeformadas. Deve-se garantir cuidados de modo que tanto amostras deformadas quanto indeformadas nas etapas de retirada, transporte e manuseio. As amostras devem ser devidamente identificadas com local da retirada, nome da obra, profundidade de coleta e relatório fotográfico do serviço de campo. Investigação Geotécnica Ensaio de Cone – CPT/ CPTU (Cone Penetration Test e Piezocone Penetration Test) Investigação Geotécnica • Introdução: • No momento atual do contínuo desenvolvimento da Mecânica dos Solos e Engenharia de Fundações, observa-se uma melhora notável na diversidade e qualidade de ensaios de campo disponíveis para caracterização do subsolo e medição das propriedade de comportamento. • Entretanto, a interpretação dos resultados é complexa e imprecisa, devido tanto ao comportamento do solo como às condições de contorno do ensaio realizado. Investigação Geotécnica • Introdução: • O ensaio de cone caracteriza-se como uma das mais importantes inovações propostas na investigação geotécnica. • Objetivos do ensaio: • Estratigrafia • Determinação de parâmetros geotécnicos – principalmente em solos moles • Determinação da capacidade de carga de fundações Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU - histórico: • Inicialmente o equipamento utilizado para o ensaio CPT era mecânico e media apenas a resistência de ponta, por meio da transmissão de esforços mecânicos pelas hastes de cravação até a superfície. 1932 - Netherlands Departament of Public Works; O primeiro cone foi construído com tubos de gás de 35 mm de diâmetro externo e 15mm interno. A ponta cônica possuía 10 cm2 de área com um ângulo de 60º de ápice. Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU - histórico: • 1935 – foi projetado o primeiro sistema de cravação para operar com 10 tf (100 kN) pela Delft Soil Mechanics Laboratoty. Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU - histórico: • No final da década de 40 surgia o cone elétrico, que permitiu medidas remotas de duas resistências: resistência de ponta e atrito lateral, com maior confiabilidade e facilidade de registro. • 1948 – O cone original foi aperfeiçoado introduzindo uma parte cônica logo após o cone. O objetivo era evitar que solo entrasse entre o cone e o tubo. Este tipo de equipamento é utilizando ainda nos dias de hoje em alguns países. Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU - histórico: • A inserção de um transdutor de poropressão associado a uma pedra porosa ao cone elétrico deu origem, em 1970, ao piezocone (CPTU), equipamento capaz de medir além das resistências de ponta e atrito lateral, a poropressão gerada durante a cravação do equipamento. • Inserção de novos sensores – ex: medida da velocidade da onda cisalhante. Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – descrição do ensaio: • O ensaio de cone consiste na cravação, no terreno, de uma ponteira cônica a uma velocidade constante de 20 mm/s. A seção transversal do cone é, em geral, de 10 cm², podendo atingir 15 cm² ou mais para equipamentos mais robustos, ou 5 cm² ou menos para condições especiais. • O equipamento do cone apresentaum conjunto de células de carga junto à ponta cônica, que permite a medida da resistência de ponta (qc), uma luva de atrito para determinação do atrito lateral do solo e transdutores de pressão capazes de medir a poropressão do solo. Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – equipamento de cravação • O equipamento de cravação consiste de uma estrutura de reação sobre a qual é montado um sistema de aplicação de cargas. Em geral, utilizam-se sistemas hidráulicos, sendo o pistão acionado por uma bomba hidráulica acoplada a um motor elétrico ou à combustão. Uma válvula reguladora de vazão possibilita o controle preciso da velocidade de cravação durante o ensaio. Primeiro sistema de cravação Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – equipamento de cravação Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – equipamento de cravação Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – equipamento de cravação Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – equipamento de cravação Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – equipamento de cravação Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – equipamento de cravação Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – equipamento de cravação Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – equipamento de cravação Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – equipamento de cravação Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – equipamento de cravação Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – equipamento de cravação Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – Transmissão/ leitura dos dados Transmissão de dados • Sistema com cabo - Sistema analógico; - Sistema digital; • Sistema sem cabo - Sistema digital - Som - Ótico • Sistema com memória interna - Sistema digital; Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – Ponteira 35.7mm 134 mm qc CPT 10cm2 fs CPT-U 10cm2 qt 35.7mm fs u2 u2 qt 35.7mm fs u2 u1 u3 Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – Transmissão/ leitura dos dados 35.7mm 134 mm 43.7mm 145 mm ou 164 mm CPT-U 10cm2 CPT-U 15cm2 16,0 mm 60 mm CPT-U 2cm2 71,3mm CPT-U 40cm2 260 mm Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – Transmissão/ leitura dos dados Luva de atrito Ponta qc/qt Caixa de sede do circuito de amplificação e/ou digitalização Conexões para cabo Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – Transmissão/ leitura dos dados Célula de carga Luva de atrito Célula de carga Ponta Transdutor de pressão Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – Transmissão/ leitura dos dados Circuito elétrico de amplificação de sinal Caixa de proteção do circuito elétrico Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – Transmissão/ leitura dos dados Pedra porosa Plástico, cerâmica, metal sinterizado Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – Transmissão/ leitura dos dados A calibração da sonda é que irá definir o sucesso do ensaio! A calibração deve ser realizada a cada 3 meses; Para projetos importantes deve-se fazer uma calibração específica; A calibração das células de cargas devem ser efetuadas separadamente, mas as leituras devem ser efetuadas em ambas para verificar a existência de efeitos cruzados; A calibração deverá ser sempre efetuada com o mesmo cabo, sistema de aquisição, ponteiras e transdutores que serão utilizados no campo. Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – Ensaio sísmico qt fs u2 geofone inclinômeto Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – Resultados do ensaio - Resistência de ponta: qc – resistência de ponta sem correção das poropressões qt – resistência de ponta com correção das poropressões (cptu) qt = qc + (1-a) . U2 Onde: a = coeficiente de calibração u2 = pressão neutra medida na base do cone - Atrito lateral: fs – atrito lateral do solo Razão de atrito (Rf) = fs/qc Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – Resultados do ensaio - Poropressão: u1, u2 ou u3 dependendo da posição da pedra porosa. Parâmetro de classificação de solos: Bq = (u2 – u0)/ (qt – σv0) Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – Resultados do ensaio Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – Aplicação 0.1 1 10 100 0 1 2 3 4 5 6 Areias Siltes arenosos Areias Siltosas e Siltes Argilas Siltosas e siltes argilosos Argilas Turfas Razão de atrito – Rf (%) R e s is tê n c ia d e C o n e q c ( M P a ) Robertson & Campanella, 1983 c s f q f R Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – Interpretação 0.1 1 10 100 0 1 2 3 4 5 6 Areias Siltes arenosos Areias Siltosas e Siltes Argilas Siltosas e siltes argilosos Argilas Turfas Razão de atrito – Rf (%) R e s is tê n c ia d e C o n e q c ( M P a ) Robertson & Campanella, 1983 -22 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0 2 4 6 8 10 qc (MPa) P r o f u n d i d a d e ( m ) -22 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0 50 100 150 200 fs (KPa) P r o f u n d i d a d e ( m ) -22 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0 2 4 6 8 10 12 Rf (%) P r o f u n d i d a d e ( m ) Qc=0,2 a 0,3 MPa Qc=8 a 9 MPa Rf = 3% Rf = 1% Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – Resultados do ensaio 0.1 1 10 100 0 1 2 3 4 5 6-22 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0 50 100 150 200 fs (KPa) P r o f u n d i d a d e ( m ) Areias Siltes arenosos Areias Siltosas e Siltes Argilas Siltosas e siltes argilosos Argilas Turfas Razão de atrito – Rf (%) R e s is tê n c ia d e C o n e q c ( M P a ) Robertson & Campanella, 1983 -22 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0 2 4 6 8 10 qc (MPa) P r o f u n d i d a d e ( m ) -22 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0 2 4 6 8 10 12 Rf (%) P r o f u n d i d a d e ( m ) Investigação Geotécnica • CPT/ CPTU – Resultados do ensaio Investigação Geotécnica • CPTU – Ensaios de dissipaçãoEnsaios de dissipação do excesso de pressões neutras geradas durante a cravação do piezocone no solo podem ser interpretados para estimativa do coeficiente de adensamento do solo. O ensaio consiste, basicamente, em interromper a cravação do piezocone em profundidades preestabelecidas, por um período de aproximadamente 1 hora, até atingir 50% de dissipação do excesso de poropressões, e monitorar a dissipação das pressões neutras durante esse período. Essa técnica é revestida de considerável interesse na prática de engenharia, pois oferece uma alternativa aos ensaios de laboratório e reduz os custos globais do programa de investigação geotécnica. Investigação Geotécnica • CPTU – Vantagens e Desvantagens • Vantagens Extremamente rápido; Excelente repitibilidade; Medidas simultâneas de no mínimo 3 grandezas físicas; Excelente estratigrafia; • Desvantagens Complexidade do equipamento Investigação Geotécnica Ensaio de Palheta – (Vane Test) Investigação Geotécnica • Ensaio de Palheta • O ensaio de palheta é tradicionalmente empregado na determinação da resistência ao cisalhamento não drenado, Su, das argilas moles. • Este ensaio, sendo passível de interpretação analítica, assumindo a hipótese de superfície de ruptura cilíndrica, serve de referência a outras técnicas e metodologias, cuja interpretação requer a adoção de correlações semi-empíricas. Investigação Geotécnica • Ensaio de Palheta • Desenvolvido na Suécia 1919 • Aperfeiçoado em 1940 • Introduzido no Brasil 1949, pelo IPT • Normalizado pela NBR 10.905 Investigação Geotécnica • Ensaio de Palheta • Equipamento – TIPO A O equipamento do tipo A permite a sua cravação estática em solos moles a partir do nível do terreno. Durante esta cravação, a palheta é protegida, permanecendo no interior da sapata. • Equipamento – TIPO B O ensaio é realizado no interior de uma perfuração prévia. Este equipamento é mais suscetível a erros, devido a atritos mecânicos e translação da palheta. Investigação Geotécnica • Ensaio de Palheta Palheta do tipo A Investigação Geotécnica • Ensaio de Palheta D H d2 d1 D = (65±0,1)mm H = (130±0,1)mm E = (2±0,2)mm d1 = (13±1)mm d2 = (20±1)mm e Investigação Geotécnica • Ensaio de Palheta Realização do ensaio O equipamento com a palheta na posição recolhida dentro da sapata é cravado estaticamente no terreno com auxílio de macaco ou tripé de sondagem; Atingida a profundidade desejada, as hastes de extensão são forçadas cravando-se a palheta no solo 0,5m a frente da sapata, sem rodá-la; A unidade de torque e medida é então posicionada e os instrumentos zerados; Aplica-se imediatamente o torque, realizado-se leituras a cada 2º de rotação para a construção da curva torque x rotação. O tempo entre o final da cravação da palheta e o início da rotação não deve ser superior a 5 min. Imediatamente após a determinação do torque máximo, aplica-se dez revoluções completas à palheta e refaz-se o ensaio para determinação da resistência amolgada (Sur). O intervalo entre os dois ensaios deve ser inferior a 5 min. Ensaio de atrito Este ensaio deve ser realizado antes da campanha de ensaios, no mesmo local e profundidades máximas de ensaios da campanha programada. A depender do equipamento este ensaio é realizado durante o ensaio onde há uma região em que a haste girar sem girar a palheta. Investigação Geotécnica • Ensaio de Palheta Sistema de medidas do Torque aplicado Investigação Geotécnica • Ensaio de Palheta Vane tipo A Pré-furo para ultrapassar camadas resistentes; Cravação da sonda com sistema hidráulico Sistemas similares ao do CPT Cravação da palheta; Aplicação do Torque; Leitura do atrito das hastes versus rotação; Alternativamente célula de torque junto a palheta. Leitura do torque versus rotação; Investigação Geotécnica • Ensaio de Palheta 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 To rq ue (N .m ) Rotação (graus) CMII - Indeformado - 3,00m CMII - Amolgado - 3,00m Investigação Geotécnica • Ensaio de Palheta 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 To rq ue (N .m ) Rotação (graus) EP 04 - Indeformado - 5,49m EP 04 - Amolgado - 5,49m 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 To rq ue (N .m ) Rotação (graus) CMII - Indeformado - 0,50m CMII - Amolgado - 0,50m (a) – Torque versus rotação em argila com presença de conchas (Baroni, 2010). (b) - Torque versus rotação em argila ressecada, Baroni (2010). Investigação Geotécnica • Ensaio de Palheta Onde: -T o torque aplicado, -L o comprimento da composição de hastes; - J o momento de inércia (J= (de 4-di 4)/32) e -G o módulo cisalhante do aço (= 80x109 N/m2). Investigação Geotécnica • Ensaio de Palheta 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Su (k Pa ) Rotação (graus) Atrito das hastes Ângulo rotação da Plaheta Pico de resistência com atrito Pico de resistência descondado o atrito 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Su (k Pa ) Rotação (graus) Atrito das hastes Ângulo rotação total Pico de resistência com atrito Pico de resistência descondado o atrito (b) - Su versus rotação em solo com presença de areia executado à 16m de profundidade com medida de atrito (a) - Su versus rotação em 10 m de profundidade com de medida de atrito. Investigação Geotécnica • Ensaio de Palheta 0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 20 25 P R O FU N D ID A D E (m ) Su (kPa) Indeformado Amolgado Investigação Geotécnica • Ensaio de Palheta Resistência não drenada Su = 0,86 T / D 3 Sensibilidade St = Su/Sur História de Tensões Semi-empírico Método SHANSEP Mecânica dos solos do Estado Crítico Investigação Geotécnica • Ensaio de Palheta (Su/’vo ) Investigação Geotécnica • Ensaio de Palheta • Vantagens Equipamento simples; Repitibilidade; Interpretação; Medida de uma grandeza física. • Desvantagens Extremamente lento; Investigação Geotécnica Ensaio dilatométrico – DMT (Dilatômetro de Marchetti) Investigação Geotécnica • Ensaio DMT • Objetivos Estratigrafia Determinação de parâmetros geotécnicos Investigação Geotécnica • Ensaio DMT Investigação Geotécnica • Ensaio DMT - Procedimento Leitura inicial de A e B Investigação Geotécnica • Ensaio DMT Investigação Geotécnica • Ensaio DMT Investigação Geotécnica • Ensaio DMT Cravação com sistema hidráulico Pode ser por percussão A cada 20cm Leiturasdas pressões A e B Investigação Geotécnica • Ensaio DMT Investigação Geotécnica • Ensaio DMT Investigação Geotécnica • Ensaio DMT Leituras de calibração Leituras de ensaio Parâmetros Intermediários Interpretados de parâmetros Leitura A e B Antes de cada ensaio (rigidez da membrana) Leitura A e B a cada 20 cm Determinação de P0 e P1 ID – índice do material KD – índice da tensão horizontal ED – Módulo dilatométrico Ko – Coef. de empuxo em repouso OCR – Razão de pré-adensamento S u – resistência não drenada ´ - ângulo de atrito Ch – Coeficiente de consolidação Kh – Coeficiente de permeabilidade - peso específico M – Módulo uo – Poro pressão de equilíbrio Investigação Geotécnica • Ensaio DMT P0 = 1,05(A - Zm- A) – 0,05(B - Z m - B) P1 = B – Z m - B ED = 34,7 (P1 – P0) KD = (P0 – u0) / ’v ID = (P1 – P0)/(P0 – u0) Investigação Geotécnica • Ensaio DMT K0 = (KD / 1,5) 0,47 – 0,6 K0 = 0,34 KD 0,55 OCR = (0,5 KD) 1,56 Su = 0,22 ’v (0,5 KD) 1,56 Investigação Geotécnica • Ensaio DMT Exemplo de interpretação História de tensão OCR = (0,5 KD) 1,56 (Marcehtti,1980) Resistência não drenada Su = 0,22 ’vo (0,5 KD) 1,25 Obtido a partir de Mesri (1975) - Su = 0,22 ’vm Investigação Geotécnica • Ensaio DMT Investigação Geotécnica • Ensaio DMT • Vantagens Equipamento simples; Excelente repitibilidade; Rápido; Ótima estratigrafia. • Desvantagens Dados obtidos (P0 e P1) (significado físico??); Interpretação totalmente empírica.
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