15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental SPT COM SÍSMICA UP-HOLE (S-SPT): DESCRIÇÃO E EXEMPLO DE APLICAÇÃO

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1 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental SPT COM SÍSMICA UP-HOLE (S-SPT): DESCRIÇÃO E EXEMPLO DE APLICAÇÃO Breno Padovezi Rocha 1 ; Rubens Antonio Amaral Pedrini 2 ; Heraldo Luiz Giacheti 3 Resumo Em projetos geotécnicos é necessário que seja feita de uma caracterização geológicogeotécnica do subsolo, onde a geofísica é uma das técnicas que pode ser empregada. A crescente demanda de ensaios geofísicos se justifica para a determinação de parâmetros dinâmicos de projetos, hoje facilitada pelo avanço da eletrônica e da engenharia de computação, que possibilitou uma melhor performance e uma interpretação de resultados mais rápida, muitas vezes no próprio campo. O ensaio geotécnico de campo mais utilizado na investigação do subsolo é o SPT. Alguns autores têm demonstrado que é possível incorporar a medida da velocidade de propagação da onda cisalhante (Vs) empregando a técnica up-hole em conjunto com o ensaio SPT. O objetivo deste trabalho é apresentar o ensaio sísmico up-hole realizado em conjunto com o SPT. Concluiu-se que o ensaio S-SPT pode ser empregado para definição do perfil do subsolo, ao mesmo tempo em que os valores de N SPT e Vs são determinados de modo rápido e a um custo relativamente baixo. Abstract In geotechnical design the geological and geotechnical site characterization is necessary. Geophysics is one of the techniques which can be used. The growing demand for geophysical tests is justified to determinate the dynamic geotechnical parameters. Nowadays it is facilitated by the advances on electronics and computer engineering, which allows a better performance and a quicker data interpretation most of the time on site. The most used in situ geotechnical test for site characterization is the SPT. Some authors have demonstrated that it is possible to incorporate the measurement of shear wave velocity (Vs) using the up-hole technique together with the SPT test. The objective of this paper is to present the up-hole seismic test carried out together with the SPT. It was conclude that the S-SPT test can be used to define the soil profile at the same time that the N SPT and Vs values are quickly determined with relatively low cost. Palavras-Chave investigação do subsolo, ensaios sísmicos, SPT, up-hole, S-SPT. 1 Eng. Civil, M.Sc., Escola de Engenharia de São Carlos-USP, (16) , brenop@sc.usp.br 2 Eng. Civil, M.Sc, Faculdade de Engenharia de Bauru-Unesp, (14) , rubenspedrini@gmail.com 3 Eng.Civil, D.Sc.,Faculdade de Engenharia de Bauru-Unesp, (14) , giacheti@feb.unesp.br 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 1

2 1. INTRODUÇÃO A utilização da geofísica aplicada à engenharia civil no Brasil vem sendo cada vez mais utilizada. A crescente demanda de serviços pode ser justificada pelo avanço da eletrônica, proporcionando melhor execução, maior rapidez e interpretação dos resultados obtidos em campo. Dentre os métodos geofísicos mais aplicados na engenharia Civil, os métodos sísmicos são os que mais se destacam, sendo empregados nas mais diversas técnicas, como refração, reflexão e os ensaios realizados em furos de sondagens. Os ensaios sísmicos utilizam a velocidade de propagação de ondas elásticas através do meio investigado. Os ensaios sísmicos em furos de sondagem possibilitam a determinação das velocidades das ondas de compressão (P) e cisalhante (S) e assim o cálculo dos parâmetros dinâmicos dos solos. Tais ensaios são denominados cross-hole, down-hole e up-hole, sendo função da posição das fontes no furo. Os ensaios em furos de sondagem são ensaios não destrutivos, apresentam rápida execução e abrangem grandes volumes do maciço de solo em análise. O ensaio sísmico up-hole necessita de apenas um furo de sondagem. Nesse caso a fonte geradora de ondas encontra-se dentro do furo e o receptor na superfície do terreno. O ensaio uphole apresenta a dificuldade de gerar o tipo de onda desejado, em função da posição da fonte dentro do furo de sondagem, impossibilitando o direcionamento do golpe para geração das ondas, conforme reportado por Giacheti et al. (2006). Para a investigação do subsolo, no Brasil e em outros países do mundo, a Sondagem de Simples Reconhecimento com SPT (SPT) é o ensaio in situ mais utilizado. Deste modo, há experiência na execução e interpretação desse ensaio. Entretanto, divergências em procedimentos e equipamentos de execução, além da determinação de vários parâmetros geotécnicos a partir de um único índice (N do SPT), têm acarretado vários questionamentos Mayne (2000). Por este motivo, verifica-se a tendência de se incorporar novas técnicas de ensaios para execução conjunta, como por exemplo, o ensaio SPT-T, que possibilita a determinação do torque em conjunto ao N do SPT e o ensaio SCPT, que permite a determinação de velocidade de onda cisalhante (V S) em conjunto com o ensaio de cone. Esses ensaios permitem uma melhor caracterização da estratigrafia e dos parâmetros geotécnicos dos solos. Alguns autores, como Bang e Kim (2007) tem mostrado que é possível incorporar a medida da velocidade de ondas S a partir do golpe de um ensaio SPT empregando o a técnica up-hole, recurso antigo, que foi recentemente desenvolvido e aplicado por Pedrini (2012). No ensaio S-SPT as ondas S são geradas pelo golpe de um martelo de mão na cabeça de bater do ensaio SPT. Apresenta por isso, uma grande vantagem em relação ao SCPT (mais barato) e ao ensaio crosshole (menos trabalhoso). Neste trabalho é descrito o sistema para a realização do S-SPT além da metodologia utilizada para determinação das velocidades de ondas cisalhantes (Vs). Um ensaio S-SPT foi realizado no campo experimental da USP-São Carlos e os resultados obtidos foram comparados com dois ensaios cone sísmico (SCPT) realizados no mesmo local. Verifica-se boa concordância entre os resultados, validando a aplicação do ensaio S-SPT. 2. ENSAIO SPT COM SÍSMICA UP-HOLE (S-SPT) A determinação do perfil de velocidade da onda cisalhante (Vs) e consequentemente o módulo de cisalhamento máximo (G o) é de grande interesse em projetos geotécnicos. Na prática, a utilização do método up-hole original é pouco comum, em função da dificuldade de gerar a componente da onda cisalhante (Vs). Uma forma modificada do método up-hole foi desenvolvida para se obter o perfil de Vs de forma eficiente em conjunto com a sondagem SPT (Bang e Kim 2007 e Pedrini 2012). Uma representação esquemática do ensaio SPT sísmico (S-SPT) é 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 2

3 ilustrada na Figura 1. A seguir serão apresentados os equipamentos utilizados na realização do ensaio S-SPT. Figura 1: Representação esquemática do ensaio S-SPT (Pedrini e Giacheti, 2012) 2.1. Fonte sísmica e Trigger O trigger é o dispositivo que indica o início do registro do sinal sísmico, podendo ser de contato (fechamento de circuito entre polo negativo e positivo) ou analógico, com o auxílio de um acelerômetro, por exemplo. Como fonte foi utilizada um martelo de mão de aço, de 2 kg, e um trigger digital (de contato), sendo assim possível iniciar o registro dos sinais com grande precisão e sem grandes dificuldades. O trigger é ativado quando o martelo de mão de aço de 2 kg atinge a cabeça de bater. Neste momento o circuito entre martelo e cabeça de bater é fechado e a onda é gerada. Ela se propaga pela haste até o amostrador do SPT. Este, por sua vez, transmite ao meio à onda que foi gerada. Na Figura 2 é demonstrado o esquema de geração da onda e o acionamento do trigger, no ensaio S-SPT. a) b) Figura 2: Esquema de trigger (a) e geração de ondas (b) no ensaio S-SPT 2.2. Geofones Para a captação dos sinais em superfície foram utilizados seis arranjos de dois geofones (um vertical e um horizontal). Cada arranjo era instalado em caixas de resina termoplásticas, as quais eram cravadas no solo por meio de uma ponteira de fixação. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 3

4 Segundo Pedrini (2012), o procedimento de montagem e instalação é primordial para a qualidade dos registros sísmicos. A Figura 3 apresenta o processo de montagem e instalação de uma das caixas contendo dois geofones. A montagem consiste em realizar as ligações dos fios nos pólos dos geofones e posicioná-los e encaixá-los na caixa (Figura 3.a). Na Figura 3.b demonstra-se que a mesma deve ser cravada quase que completamente no solo, porém com o contato dando-se unicamente pela ponteira de fixação, além de estar devidamente nivelada. a) b) Figura 3: Processo de montagem e instalação das caixas contendo os geofones (Pedrini 2012) 2.3. Sistema de aquisição de dados O sistema de aquisição de dados utilizado é da marca National Instruments, modelo NI-USB O sistema apresenta resolução de 16 bits, 32 single-ended canais ou 16 differential canais, taxa de aquisição de 1.25 MS/s e trigger digital ou analógico. O programa de aquisição de dados foi desenvolvido em plataforma LabView 8.5, sendo possível aquisitar os dados captados pelos geofones. Para facilitar seu uso em campo, confeccionou-se um caixa para proteger o sistema de aquisição e conectar os cabos das caixas que contêm os geofones, alimentação elétrica e conexão com o computador. Na Figura 4 é apresentado a caixa utilizada nos ensaios S-SPT. Figura 4: Caixa para acondicionamento do sistema de aquisição de dados e seus conectores (Pedrini 2012) Na Figura 5 é apresentado registros sísmicos obtidos pelos geofones verticais (Figura 5, item 1) e horizontais (Figura 5, item 2). Na Figura 5 é possível visualizar os sinais sísmicos captados pelos seis geofones. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 4

5 Figura 5: Tela inicial do programa de aquisição e visualização dos sinais sísmicos (Rocha 2013) 2.4. Programa de processamento e análise dos sinais Bang e Kim (2007) discutem a dificuldade de se analisar os registros sísmicos obtidos no ensaio S-SPT. Por isso, Pedrini (2012) desenvolveu um programa que permite a determinação simples e funcional do tempo de chegada das ondas S, uma vez que o tempo de chegada é primordial para uma correta determinação da velocidade de onda cisalhante. O programa foi desenvolvido em plataforma Matlab, pois este possui algumas facilidades para trabalhar com grande quantidade de vetores de maneira rápida e eficiente. O programa de análise e processamento de sinais trabalha diretamente com a estrutura de formatação dos arquivos gerados pelo programa de aquisição de dados. Deste modo, para cada golpe carregado, tem-se dozes sinais de geofones. Foi imposta uma quantidade máxima de golpes a serem carregados pelo programa e analisados, em número de 30, admitindo ensaios para caracterização de 30 metros, por exemplo. Mais detalhes referentes aos procedimentos de execução e interpretação do ensaio S-SPT são encontrados em Pedrini (2012). 3. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA ESTUDADA 3.1. Caracterização geológica A cidade de São Carlos encontra-se apoiada nas rochas do Grupo São Bento, constituídas de arenitos da Formação Botucatu e magmatitos básicos da Formação Serra Geral. Sobre essas rochas ocorrem conglomerados e arenitos do Grupo Bauru e, em seguida, cobrindo toda a região, aparecem os Sedimentos Cenozóicos. Segundo Giacheti (2001), os Sedimentos Cenozóicos que cobrem a região foram originados pelo retrabalhamento dos materiais do Grupo Bauru e das Formações Serra Geral e Botucatu. Esses sedimentos foram submetidos ao intenso intemperismo característico de climas tropicais, com elevada temperatura, intensa pluviosidade e situações de boa drenagem. Consequentemente, este material sofreu processo de laterização, o qual consiste na concentração de óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio. Deste modo, são pouco compactos, muito porosos e colapsíveis. Sua litologia é constituída de sedimentos mal selecionados, contendo cerca de 35% de argila e pelo menos 50% de areia de granulação média a fina. Entre essa camada e a inferior (Residual do Grupo Bauru) existe uma linha de seixos de quartzo e limonita. Em toda a região urbana, esse sedimento arenoso não ultrapassa 12 m de espessura, predominando valores entre 5 e 7 m. O Grupo Bauru está representado na região por arenitos de granulação média a conglomeráticos, com grãos angulosos, teor de matriz variável, seleção pobre, ricos em feldspatos, minerais pesados e instáveis. Na Figura 6 é apresentado uma seção geológica esquemática com a provável distribuição das unidades geológicas (De Mio, 2005) 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 5

6 O Grupo Bauru pode ser descrito como um arenito médio bem graduado, grãos angulosos, com cerca de 45% de areia e 35% de argila e de cor vermelha a rosada, com pontos brancos constituídos de feldspatos parcialmente alterados. Esse solo, para as classificações usuais da mecânica dos solos, como a classificação unificada (SUCS), encontra-se no mesmo grupo dos Sedimentos Cenozóicos. Entretanto, possui comportamento muito distinto em relação aos sedimentos cenozóicos (Giacheti, 2001). Figura 6: Seção geológica baseada em dados de mapeamento e sondagens (De Mio, 2005) 3.2. Caracterização geotécnica Campanhas de caracterização incluindo ensaios SPT, DMT, CPT, SCPT, cross-hole e down-hole foram anteriormente realizados neste local. Amostras deformadas e indeformadas foram retiradas de poços de inspeção para realização de ensaios de caracterização em laboratório, juntamente com a determinação de parâmetros geotécnicos. No campo experimental de São Carlos, o subsolo é caracterizado por apresentar uma areia fina argilosa com duas camadas bem definidas: sedimento cenozóico de comportamento laterítico (LA ), até a profundidade de 6 metros, sobrepondo uma camada de solo residual derivado de arenito com comportamento não laterítico. Entre esses dois horizontes encontra-se uma linha de seixos, útil para identificação dos mesmos. O sistema de classificação MCT (Mini, Compactado, Tropical) proposto por Nogami e Villibor (1981) para solos tropicais foi usado para definir e classificar estes solos em relação ao comportamento laterítico. 4. ENSAIO S-SPT E ANÁLISE DOS RESULTADOS No campo experimental da EESC/USP, foi realizado um ensaio S-SPT, permitindo assim a determinação do perfil estratigráfico, índice N SPT e a determinação do perfil de velocidade de ondas cisalhantes (Vs). A Figura 7.a mostra uma visão geral do ensaio S-SPT e na Figura 7.b é demonstrado o sistema de aquisição de dados instalado na caixa que possui os conectores dos cabos dos geofones e do notebook utilizado. O ensaio foi realizado até a profundidade de 21m. Além disso, existem nessa área resultados de dois ensaios SCPT (SCPT1 e SCPT2) (Giacheti e De Mio (2008)), realizados também até 21 m de profundidade. No ensaio S-SPT foram utilizadas seis caixas contendo dois geofones cada, espaçadas de 2 em 2 m, a partir do furo de sondagem, conforme sugerido por Pedrini (2012). Os registros sísmicos do ensaio S-SPT foram analisados empregando a metodologia proposta por Pedrini (2012). Constatou-se que os sinais captados pelos geofones horizontais apresentaram melhor caracterização da onda S. Os sinais obtidos pelas caixas posicionadas a 2 e 4 m do furo de sondagem foram de baixa qualidade, dificultando a determinação da chegada das ondas. Por esta razão, não foram utilizadas para determinação do perfil de velocidade de ondas S. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 6

7 a) b) Figura 7: Esquema do ensaio S-SPT (a), sistema de aquisição de dados (b) (Rocha 2013) Os registros sísmicos obtidos das caixas posicionadas a 6, 8, 10 e 12 m do furo de sondagem puderam ser utilizados para a determinação das velocidades de onda S até a profundidade final de ensaio. A Figura 8 apresenta o perfil de ondas registradas pelo geofone localizado a 12 m do furo de sondagem. Figura 8: Registros dos geofones horizontais a 12 m do furo de sondagem (Rocha 2013) A Figura 9 apresenta os resultados obtidos pelo ensaio S-SPT, sendo que (a) é apresentado o perfil típico, (b) tem os valores de N SPT e (c) às velocidades obtidas pelos geofones posicionados a 6, 8, 10 e 12 m do furo de sondagem, juntamente com o valor médio. Na Figura 9.d é apresentado à comparação entre o perfil médio obtido no ensaio S-SPT e o perfil médio de 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 7

8 velocidade obtido a partir dos ensaios SCPT (Giacheti e De Mio (2008)). Na Figura 9.e demonstrase a diferença relativa entre o ensaio S-SPT e os ensaios SCPT. Na comparação entre os valores de Vs determinados nos ensaios S-SPT e SCPT, a diferença relativa média foi de 6.4%. As maiores diferenças relativas encontram-se nas camadas superficiais do perfil (até 6 m). Considerando que os ensaios foram realizados em épocas diferentes, a variação da sucção matricial pode ter influenciado os valores de velocidade de onda S, principalmente na camada mais superficial, que sofre maior variação na sucção matricial (Giacheti 1991 e Barros 1997). Observou-se que as diferenças relativas encontradas na região de variação do nível d água (9 a 11m) foram pequenas, com valor médio de 6.1%. 0 Perfil (SPT) Aterro Vs (m/s) Diferença Nspt Vs (m/s) Comparação relativa (%) Areia Fina Argilosa Marrom (Sedimento Cenozóico) SC LA' Linha de Seixos Profundidade (m) NA Areia Fina Argilosa Vermelha (Solo Residual do Grupo Bauru) 16 SC NA' (a) (b) (b) (c) (c) (d) (e) Vs - 6,0 m Vs - 8,0 m Vs - 10,0 m Vs - 12,0 m Vs médio SCPT S-SPT Figura 9: Resultados obtidos pelo ensaio S-SPT (Rocha 2013) S-SPT x SCPT 5. CONCLUSÕES Os perfis de velocidade de onda S determinados com o ensaio S-SPT podem ser considerados equivalentes aos perfis de referência determinados com o ensaio de cone sísmico. Deste modo, o sistema e metodologia desenvolvida para a realização da sísmica up-hole em conjunto ao ensaio SPT mostrou ser eficiente e de fácil execução. Este método pode ser empregado para se obter o perfil de Go a partir da equação da Teoria da elasticidade, e ser utilizado na engenharia de fundações, uma vez que para o dimensionamento da estrutura são considerados e calculados esforços devido a vibrações (terremotos, ventos, operação de máquinas). O S-SPT é indicado quando outras técnicas mais apropriadas, como o cross-hole e down-hole, não estão disponíveis para determinação do perfil de Vs. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 8

9 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a FAPESP (Fundação de Pesquisa do Estado de São Paulo), e CNPQ (Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico), pelo apoio ao desenvolvimento dessa pesquisa. REFERÊNCIAS BANG, E.S. e KIM, D.S. (2007) Evaluation of shear wave velocity profile using SPT based up-hole method, Soil Dynamics and Earthquake Engineering. v.27, Issue 7, p BARROS, J. M. C. (1997) Módulo de cisalhamento dinâmico de solos tropicais. 437p. Tese (Doutorado em Geotecnia) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo. DE MIO, G. (2005) Condicionantes geológicos na interpretação de ensaios de piezocone para identificação estratigráfica na investigação geotécnica e geoambiental. 359p. Tese (Doutorado em Geotecnia) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos. GIACHETI, H. L. (1991) Estudo experimental de parâmetros dinâmicos de alguns solos tropicais do Estado de São Paulo. 232p. Tese (Doutorado em Geotecnia) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos. GIACHETI, H. L. (2001) Os ensaios de campo na investigação do subsolo: Estudo e considerações quanto à aplicação em solos tropicais. 327p. Livre- Docência, Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista, Bauru. GIACHETI, H. L. e DE MIO, G. (2008) Seismic cone penetration tests on tropical soils and the ratio Go/qc. 3º Geotechnical and Geophysics Site Characterization Conference., ISC 3, Taiwan, v.1. p GIACHETI, H. L.; ELIS, V. G.; DE MIO, G. e CAVALCANTE E. H. (2006). Ensaios de Campo na Investigação Geotécnica e Geoambiental (artigo de palestra convidada). In: XIII Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica, Curitiba. Palestra. p NOGAMI, J. S. & VILLIBOR, D. F. (1981). Uma nova classificação de solos para finalidades rodoviárias, Simpósio Brasileiro de Solos Tropicais em Engenharia, Brasil, V. 1, p PEDRINI, R. A. A. Desenvolvimento de Sistema para Realização de Sísmica Up-hole em Conjunto com Sondagem SPT p. Dissertação (Mestrado em Geotecnia) - Faculdade de Engenharia de Bauru, Universidade Estadual Paulista, Bauru, 2012 PEDRINI, R. A. A. e GIACHETI, H. L. (2012). The seismic SPT to determine the maximum shear modulus. In: 4º International Conference on Geotechnical and Geophysical Site Characterization, 2012, Porto de Galinhas - PE. ISC'4. v. 1. p ROCHA, B. R. (2013) Emprego do Ensaio SPT Sísmico na Investigação de Solos Tropicais. 116 p. Dissertação de Mestrado. Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 9