Estudo de Resultados de Sondagens SPT e Ensaio de Penetração Dinâmica Contínua (PD) para Areias da Grande Vitória - ES

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1 Estudo de Resultados de Sondagens SPT e Ensaio de Penetração Dinâmica Contínua (PD) para Areias da Grande Vitória - ES Maria Luiza Moraes Mestranda, Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, Espírito Santo Kátia Vanessa Bicalho e Eliana Zandonade Professoras, Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, Espírito Santo Reno Reine Castello Professor e Consultor, Solo Fundações & Geotecnia Ltda, Vitória, Espírito Santo RESUMO: O presente trabalho descreve a utilização do ensaio de Penetrômetro Dinâmico Contínuo-PD (Dynamic Probing) em conjunto com ensaios tipo SPT (Standard Penetration Test) para avaliação de camadas superficiais (até 5,m de profundidade) de solos arenosos da região litorânea da Grande Vitória- ES e apresenta resultados preliminares de correlação entre os dois métodos de ensaios para um caso de obra localizada na região em estudo. PALAVRAS-CHAVE: Ensaio SPT, Penetrômetro Dinâmico, Solos Arenosos. 1 INTRODUÇÃO A investigação geotécnica de um solo normalmente envolve a realização de ensaios de campo e a obtenção de amostras destinadas à análise através de ensaios de laboratório. Em todos os casos, será tarefa do engenheiro geotécnico avaliar a aplicabilidade de cada ensaio e a análise dos resultados para obtenção de parâmetros geotécnicos. O ensaio por Penetrômetro Dinâmico Contínuo (PD) pode ser empregado como um método rápido, fácil e econômico de investigação in situ complementar às sondagens SPT (Standard Penetration Test) (ISSMFE 1989, Cordeiro 24). Diferentemente do ensaio SPT, o ensaio por PD prescinde de pré-furo, ue pode alterar as condições naturais do solo. O ensaio por penetrômetro (cone) dinâmico contínuo (PD) tem sido muito utilizado na região da Grande Vitória-ES principalmente uando há interesse em avaliações contínuas da resistência de camadas arenosas para o possível assentamento de fundações superficiais. A existência de laminações mais fracas, por exemplo, são mais facilmente detectadas pela penetração contínua do ensaio por PD do ue pelo SPT (Bicalho et al. 22, Bicalho et al. 24a, Bicalho et al. 24b, Bicalho et al. 25, Bicalho e Castello 25). Tornam-se necessárias, portanto, análises de possíveis correlações entre os valores da resistência de ponta ( d ) do ensaio de penetração contínua (PD) e o número de golpes (N SPT ) do ensaio SPT. O presente trabalho descreve a utilização do ensaio PD em conjunto com o SPT para avaliação de camadas superficiais (até 5,m de profundidade) de solos arenosos da região litorânea da Grande Vitória. Apresenta e compara uma série de resultados dos ensaios PD e SPT executados na região em estudo. 2 LOCALIZAÇÃO E DESCRIÇÃO DA REGIÃO ESTUDADA A Região Metropolitana da Grande Vitória é formada pelos municípios de Vitória (a capital do Estado), Vila Velha, Cariacica, Serra, Viana, Guarapari e Fundão. Vitória está situada na ilha de mesmo nome e os demais municípios pertencem à parte continental da região. Este estudo foi realizado em Itaparica, bairro localizado na região litorânea do município de Vila Velha. A formação dos solos sedimentares da região costeira do Brasil é atribuída principalmente

2 aos episódios de variações do nível relativo do mar ue ocorreram durante o Período Quaternário (Castello e Polido 1988, Souza et al. 25). São solos compostos por sedimentos marinhos, com camadas de areias superficiais geralmente heterogêneas, apresentando diferentes compacidades relativas devidas, provavelmente, às estratificações ocorridas durante as variações do nível do mar (transgressões e regressões) ao longo dos anos. As areias da região em estudo têm propriedades índices bem similares (forma dos grãos, granulometria, e constituição). Apresentam-se como areia fina a média, uartzosa, menos de 5% passando na peneira nº 2, variando de fofa a compacta. A Tabela 1 apresenta as principais características das areias da Grande Vitória (Cordeiro 24). Tabela 1. Resumo das principais características das areias da Grande Vitória (Cordeiro 24). Granulometria: Areia fina a média e areia média a fina Forma dos grãos: Angular e sub-angular Coeficiente de uniformidade, C u médio: 1,65 3,35 D 5 médio:,3,7 (mm) Densidade dos grãos, G s: 2,65 Peso específico aparente seco mínimo, γ d min 13,6 kn/m 3 Peso específico aparente seco máximo, γ d max : 16,6 kn/m 3 Nota: D 5 indica ue 5% do material têm diâmetro inferior a ele. 3 CARACTERÍSTICAS DOS ENSAIOS 3.1 Ensaio SPT (Standard Penetration Test) A sondagem divide-se praticamente em duas etapas distintas: uma de perfuração e outra de amostragem/ensaio. Na primeira etapa é feita a perfuração com trado ou trépano de lavagem com o auxílio de circulação d água. Na segunda etapa, o amostrador padrão é inserido até o fundo da perfuração. O ensaio consiste em três medidas consecutivas do número de golpes necessários para cravar segmentos de 15mm deste amostrador padrão até um total de 45mm. Os golpes são aplicados por ueda livre de um peso de 65kg caindo de uma altura de 75mm. O valor de N SPT é a soma da 2ª e 3ª medidas assim determinadas, ou seja, o número de golpes necessários para cravar os últimos 3mm do amostrador padrão. Aspectos relevantes neste ensaio são a obtenção de amostra amolgada dos primeiros 45mm de cada metro, o índice de resistência do solo (N SPT ) a cada metro e a observação do nível d água freático (ABNT 21). Apesar das limitações, o N SPT têm sido utilizado para a estimativa do ângulo de atrito e compacidade relativa das areias (Bowles 1996). 3.2 Penetrômetro Dinâmico Contínuo PD (Dynamic Probing) O penetrômetro dinâmico contínuo (PD) está especificado na Referência Internacional para Procedimentos de Ensaio para Sondagem Dinâmica-DP (ISSMFE 1989). É normalizado pela Norma Alemã DIN 494 (Miguel et al. 25). São especificados uatro tipos de penetrômetros dinâmicos (leve, médio, pesado, e super-pesado) com variações ue vão desde martelo com 1kg, ueda de 5mm, ponta de 35,7mm de diâmetro até martelo com 63,5kg, ueda de 75mm, ponta de 51mm de diâmetro e ainda admite o uso de outros tipos de euipamentos (ISSMFE 1989). Para a utilização dos penetrômetros mais pesados pode ser usado o euipamento (tripé) de sondagem SPT onde o amostrador é substituído pela ponta cônica. O objetivo deste ensaio é medir o esforço necessário para fazer penetrar uma ponteira em forma de cone (Figura 1) através do solo, obtendo-se assim valores ue sejam proporcionais às suas propriedades mecânica. A cravação da ponteira cônica ocorre através da ueda livre de um martelo, elevado a uma determinada altura, ue cai sobre uma cabeça de bater (rigidamente ligada às hastes). A resistência à penetração ( d ) é definida como o número de golpes necessários para cravar a ponteira numa extensão de solo (ue pode ser de 1 em 1mm até 3 em 3mm). Normalmente, as penetrações são de 2 em 2mm e as hastes devem ser giradas de metro em metro (ou menos) e o torue medido para se estimar o atrito lateral (Castello et al. 21).

3 penetrômetro dinâmico (PD) utilizado na obra em estudo estão descritas na Tabela 2. Tabela 2. Principais características do penetrômetro dinâmico (PD) utilizado na obra em estudo. PONTEIRA MARTELO Diâmetro (mm): 51, Peso (kg): 65 Área (mm²): 243 Queda (mm): 75 Penetrações (mm): 2 Figura 1. Esuema de ponta cônica para penetrômetro dinâmico (ISSMFE 1989). A resistência dinâmica (tensão) de ponta ( d ) do penetrômetro dinâmico é obtida através da euação: PHN P d = (1) As P + P' onde: P = peso do martelo de cravação, P = peso das hastes, cabeçote e ponta, H = altura de ueda do martelo, N = número de golpes do martelo para penetração no trecho, A = área de ponta do cone, s = trecho penetrado pela ponta para N golpes. 4 ANÁLISE DOS RESULTADOS 4.1 Descrição do Local, Ensaios Realizados e Perfil Geotécnico A área em estudo tem aproximadamente 9m 2, sendo ue cerca de 3% corresponde a área para estacionamento. Foram realizadas 17 sondagens SPT e 17 sondagens com PD, locadas lado a lado, distanciadas de um metro (Figura 2). Três sondagens SPT foram até 35,45m de profundidade e as demais até 25,45m, o ue possibilitou o traçado de perfis geotécnicos. Foram executados ensaios de caracterização nas amostras amolgadas obtidas nas sondagens SPT. As sondagens por penetrômetro dinâmico (PD) foram executadas até 5,m de profundidade (na Figura 3 tem-se um perfil geotécnico típico até esta profundidade). Os resultados das análises de correlações entre os ensaios SPT e PD obtidos neste artigo são, portanto, restritos à profundidade de 5, metros. As principais características do Figura 2. Planta com sondagens SPT e PD. Até os 1, metros de profundidade tem-se um subsolo formado, em geral, por camadas de areia média e fina, variando de fofa a pouco compacta e de medianamente compacta a compacta, de cores cinza, marrom, vermelha ou amarela (a Figura 3 mostra um perfil típico até a profundidade de 5, metros). Foi detectada a presença de pedregulhos e detritos vegetais em alguns pontos localizados. O nível d água do lençol freático estava em torno de 1,35m de profundidade. As camadas subjacentes não são descritas aui por não serem motivo de estudo neste artigo. As Figuras 4 e 5 mostram a variação do N SPT e de d com a profundidade.

4 Figura 3. Perfil geotécnico típico das camadas superficiais (sondagens SPT e PD) Profundidade (m) N SPT (golpes/3cm) Valor mínimo Valor médio Valor máximo Figura 4. Variação do N SPT com a profundidade. tensões efetivas e o fato de ue o penetrômetro dinâmico utilizado possui similaridades com o ensaio SPT (tripé, peso do martelo, altura de ueda e diâmetro da ponteira) optou-se aui pela não correção dos dois índices uanto à tensão efetiva e à energia do ensaio. O ensaio SPT fornece um valor único de N SPT para cada metro, ou seja, para uma profundidade z ualuer (onde z é um número inteiro) o N SPT é obtido no trecho compreendido entre z+,15m a z+,45m. O ensaio PD, por sua vez, fornece valores de d a cada 2mm. Assim, adotou-se como critério para análise dos dados ue o valor de d a ser comparado será o valor médio obtido entre as profundidades z e z+,4m. A correlação utilizada para análise neste artigo é: d = KN SPT (2) sendo d em kgf/cm 2 e N SPT em golpes/3mm. A correlação linear ajustada para uma reta passando pela origem encontrada a partir dos resultados analisados (Figura 6) foi: = 5,7145 (3) d N SPT sendo d em kgf/cm 2 e N SPT em golpes/3mm. d (Kgf/cm 2 ) d = 1.N SPT Profundidade (m) Valor mínimo Valor médio Valor máximo d (Kgf/cm 2 ) Pontos pertencentes aos furos PD7/SPT d = 5,7145.N SPT d = 2.N SPT N SPT (golpes/3cm) 5 Figura 5. Variação de d com a profundidade. 4.2 Correlações entre N SPT e d Considerando ue os dois índices de resistência avaliados (N SPT e d ) são influenciados pelas Figura 6. Correlação N SPT x d para as areias estudadas Os dados, em sua maioria, estão compreendidos por valores de K entre 2 e 1 (Figura 6), sendo d dado kgf/cm 2 e N SPT em nº golpes/3mm. Os pontos localizados fora desta faixa pertencem apenas às sondagens PD7

5 e SP7. Para estas sondagens houve uma grande discordância entre os valores de N SPT e d para a mesma profundidade. Como os furos estavam distanciados de apenas um metro, pode ser ue houvesse algum material mais resistente, detectado apenas pela penetração contínua do PD na profundidade avaliada, ou simplesmente algum erro. Na Figura 7 pode-se notar ue a relação entre os valores médios de d e N SPT não é constante ao longo da profundidade analisada. Em alguns trechos a relação é muito maior ue em outros (entre 1, e 2,m por exemplo). Outra observação importante é uanto à dispersão dos dados apresentados na Figura 6, onde há um comportamento diferenciado para valores de N SPT > 15. Uma análise estatística mais apurada será feita posteriormente (Moraes 26) para verificação de heterocedasticidade (variância não constante ao longo dos dados do estudo). Profundidade (m) N SPT e d Valor médio de d Valor médio de Nspt Figura 7. Variação N SPT e d com profundidade (valores médios). 4.3 Correlações entre N SPT e c d em kgf/cm 2 N SPT em golpes/3cm Através do ensaio de penetração estática (CPT) são obtidos parâmetros ue podem ser relacionados diretamente à capacidade de carga das fundações (Danziger e Velloso 1986, Bowles 1996). Tipicamente, a correlação entre a resistência de ponta do cone ( c ) e a resistência à penetração da sondagem de simples reconhecimento (N SPT ) apresentadas na literatura (Albiero 199), tem a forma: c K = (4) N SPT sendo d em kgf/cm 2 e N SPT em golpes/3mm Danziger e Velloso (1986) obtiveram K = 6 (areia) e K = 5,3 (areia siltosa, argilosa, siltoargilosa ou argilo-siltosa) para areias do Rio de Janeiro. Politano et al. (21) obtiveram K variando de 2 a 1 para areias do Rio de Janeiro, São Paulo e Rio Grande do Sul (solos residuais). Para as areias de Vitória, Castello e Polido (1994) obtiveram valores de K entre 7 e 1 e Cordeiro (24) encontrou um valor médio de 4 (sendo observados valores na faixa de 2 a 8) para os solos estudados (Tabela 1). Segundo Waschkowski (1983) a relação entre as resistências de ponta do penetrômetro dinâmico ( d ) e do cone ( c ) para areias fofas e pouco compactas seriam euivalentes: d 1 (5) c Assumindo ue a Euação 5 (Waschkowski 1983) aplica-se para as areias estudadas, os resultados preliminares de correlações encontrados para a região em estudo e apresentados na Figura 6 confirmam os valores previstos por correlações empíricas entre c e N SPT (Danziger e Velloso 1986, Politano et al. 21, Castello e Polido 1994, Cordeiro 24). 5 CONCLUSÕES O presente trabalho investigou a correlação entre os valores da resistência de ponta ( d ) do ensaio de penetração dinâmica contínua (PD) e o número de golpes (N SPT ) do ensaio SPT para areias da região da Grande Vitória-ES. As conclusões preliminares são: 1. Os resultados mostraram uma correlação linear entre N SPT e d (PD), sendo d em kgf/cm 2 e N SPT em nº golpes/3mm, com K variando de 2 a 1 (Figura 6). Estes valores estão de acordo com a literatura (Danziger e Velloso 1986, Politano et al. 21, Castello e Polido

6 1994, Cordeiro 24); 2. Os resultados encontrados também confirmam a relação sugerida por Waschkowski (1983) através da euação 5 (euivalência entre cones dinâmicos e estáticos). Resultados semelhantes foram encontrados para outros casos de obras da região da Grande Vitória-ES e estão sendo analisados para divulgação posterior (Moraes 26). AGRADECIMENTOS Os autores agradecem às empresas SOLO- Fundações e Geotecnia Ltda e STAN- Fundações e Construções Civis Ltda pelo fornecimento dos dados de suas obras. À Universidade Federal do Espírito Santo pela disponibilização do Laboratório de Mecânica dos Solos. REFERÊNCIAS ABNT-Associação Brasileira de Normas Técnicas (21). NBR 6484: Solo - Sondagens de simples reconhecimento com SPT - Método de ensaio. Rio de Janeiro. Albiero, J. H. (199). Correlação entre Resistência de Cone (c) e Resistência à Penetração (SPT) para Solos Lateríticos, IX COBRAMSEF, Salvador, Bahia, Vol. 2, p Bicalho, K. V., Castello, R. R. e Polido, U. F. (22). Improvement of Loose Sand with Clayey Bands by Sand Columns. ASCE Geotechnical Special Publication, Vol. 116, 2, p Bicalho, K. V., Castello, R. R. e D Andrea, R. (24a). The densification of loose sand using compaction piles. Fifth International Conference on Cases Histories in Geotechnical Engineering, New York, NY, USA. Bicalho, K. V., Castello, R. R. e Moraes, M. L. (24b). Contribuição ao estudo de melhoramento de solos arenosos fofos por estacas de compactação. 9º Congresso Nacional de Geotecnia, Aveiro, Portugal, III, (in Portuguese). Bicalho, K. V. e Castello, R. R. (25a). Improvement of loose sandy soil foundation by compaction piles In: 16 International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Osaka. Japão, XVI ICSMGE. Rotterdam, Netherlands: Mill Press, 25. v. 3, p Bicalho, K. V., Castello, R. R. e Moraes, M. L. (25b). Loose sandy soil densification by compaction piles In: 6 th International Conference on Ground Improvement Techniues, Coimbra. Portugal, Vol. 1. p Bowles, J. E. (1996). Foundation analysis and design. 5th ed. USA: McGraw Hill, p Castello, R. R. e Polido, U. F. (1988). Sistematização geotécnica dos solos uaternários de Vitória, ES. Anais do Simpósio sobre: Depósitos Quaternários das Baixadas Litorâneas Brasileiras: Origem, Características Geotécnicas e Experiências de Obras, ABMS, Rio de Janeiro. Tema 3. Castello, R. R. e Polido, U. F. (1994). Comunicação Pessoal. Centro Tecnológico, Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, Espírito Santo,. Castello, R. R.; Polido, U. F., Bicalho, K. V. e Ribeiro, R. C. H. (21). Recalues observados de sapatas em solos terciários de São Paulo. Solos e Rochas, São Paulo, Vol. 24, n. 2. Cordeiro, D. D. (24). Obtenção de Parâmetros Geotécnicos de Areias por meio de Ensaios de Campo e de Laboratório, Dissertação de mestrado. Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, ES, 198 p. Danziger, B. R. e Velloso, D. de A. (1986). Correlações entre SPT e os resultados dos ensaios de penetração contínua. VIII COBRAMSEF, Porto Alegre, RS, Vol. VI, p ISSMFE (1989). Technical Committee On Penetration Testing Of Soils - TC 16, Report with Reference Test Procedures CPT-SPT-DP-WST. Information N. 7, Sewdish Geotechnical Institute. Miguel, M. G., Gomes, C. L. M., Silva e D. F. da, Pedrolli, K. D. (25). Caracterização Geotécnica do Solo Laterítico de Londrina/PR por meio de Ensaios Dinâmico e Estático. 11º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia Ambiental, ABGE, Florianópolis, Santa Catarina, p Moraes, M. L. (26). Estacas de Compactação para Melhoramento de Solos Arenosos Fofos: Análise de Casos de Obras. Dissertação de mestrado. Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, ES. (em andamento). Politano, C. F., Danziger, F. A. B. e Danziger, B. R. (21). Correlações entre resultados de CPT e SPT em solos residuais. Solos e Rochas, São Paulo, Vol. 24, n.1, p Souza, C. R. de G., Suguio K., Oliveira, A. M. dos S. e Oliveira, P. E. de. (25). Quaternário do Brasil. Associação Brasileira de Estudos do Quaternário, ed. Holos, São Paulo, Brasil, p Waschkowski, E. (1983). Le Pénétromètre Dynamiue. Bulletin de Liaison des Laboratoires des Ponts et Chaussées, n. 125, p