SOCIEDADE DE EDUCAÇÃO DO VALE DO IPOJUCA FACULDADE DO VALE DO IPOJUCA FAVIP CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA CIVIL

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1 SOCIEDADE DE EDUCAÇÃO DO VALE DO IPOJUCA FACULDADE DO VALE DO IPOJUCA FAVIP CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA CIVIL JÉSSICA IDALINA DE VASCONCELOS SILVA INVESTIGAÇÕES DE CAMPO CARUARU 2012

2 JÉSSICA IDALINA DE VASCONCELOS SILVA INVESTIGAÇÕES DE CAMPO Trabalho de conclusão de curso apresentado à Faculdade do Vale do Ipojuca, como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil. Orientador: Prof. Msc. Sandro Inácio Carneiro da Cruz. CARUARU 2012

3 Catalogação na fonte - Biblioteca da Faculdade do Vale do Ipojuca, Caruaru/PE S586i Silva, Jéssica Idalina de Vasconcelos. Investigações de campo. / Jéssica Idalina de Vasconcelos Silva. Caruaru: FAVIP, f.:il Orientador(a) : Sandro Inácio Carneiro da Cruz. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia Civil) -- Faculdade do Vale do Ipojuca. 1. Investigações de campo. 2. Ensaio de penetração dinâmica (DPL). 3. Sondagem. I. Jéssica Idalina de Vasconcelos Silva. II. Título. I. So CDU 624 [13.1] Ficha catalográfica elaborada pelo bibliotecário: Jadinilson Afonso CRB-4/1367

4 JÉSSICA IDALINA DE VASCONCELOS SILVA INVESTIGAÇÕES DE CAMPO Trabalho de conclusão de curso apresentado à Faculdade do Vale do Ipojuca, como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil. Orientador: Prof. Sandro Inácio Carneiro da Cruz. Aprovado em: XX / 12 / 2012 Prof MsC. Sandro Inácio Carneiro da Cruz Orientador Prof DsC. Karina Cordeiro de Arruda Dourado Avaliador Prof DsC Marília Mary da Silva Avaliador CARUARU 2012

5 Aos meus pais Jesualdo e Veronica e ao meu esposo Nivaldo.

6 Pregai com a vida. Se necessário, usai as palavras. (São Francisco de Assis).

7 AGRADECIMENTOS A Deus, primeiramente, porque como Ele mesmo diz em sua palavra: Sem mim nada podeis fazer (Jo, 15,5). Pela sabedoria, inspiração e providência que só pode vir de ti Senhor! Aos meus pais Veronica de Vasconcelos Silva e Jesualdo Batista Silva, por toda paciência, incentivo, motivação e amor. Ao meu esposo Nivaldo Estevão que me compreendeu e ficou ao meu lado em meio às dificuldades vividas ao longo desses cinco anos de graduação. Ao meu orientador, amigo e professor, Sandro Inácio Carneiro da Cruz, que é um exemplo de profissional, ser humano e cristão que vou levar em meu coração por toda minha vida. A Faculdade do Vale do Ipojuca na pessoa do coordenador do curso de graduação em engenharia civil, o professor João Manoel de Freitas Mota assim como a todos os professores e amigos com quem convivi ao longo de toda graduação, a todos meu muito obrigada.

8 RESUMO É sabido que as investigações geotécnicas constituem uma parcela de extrema importância na elaboração de projetos de fundações das estruturas em geral assim como são importantes para a chamada interação solo-estrutura, pois é a partir delas que se pode quantificar a tensão admissível das diferentes camadas que compõe o subsolo consequentemente a tensão admissível da camada adjacente em que será assente a fundação da edificação. É também através das investigações geotécnicas que o projetista de fundações define qual o tipo de fundação, seja ela superficial ou profunda, melhor se adequará a situação considerando o tipo de solo presente no local da obra e também os recalques resultantes da imposição de cargas da estrutura para o solo. Nesse contexto, o presente trabalho tem por objetivo principal a explanação a cerca dos métodos de investigação geotécnica utilizados atualmente no Brasil e em todo o mundo, bem como apresentar um método de investigação pouco difundido no Brasil, mas que tem se apresentado como uma importante ferramenta para investigação do subsolo, o ensaio DPL (Dynamic Probe Light). Também serão apresentadas as correlações existentes na literatura brasileira atual entre o ensaio DPL e o ensaio SPT assim como entre o ensaio DPL e o ensaio CPT, os tipos de equipamento de DPL e suas particularidades, as limitações e vantagens oferecidas ao investigador quando da realização desse ensaio. Palavras-chave: investigações de campo; sondagem; ensaio de penetração dinâmica (DPL).

9 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Escala granulométrica que permite a classificação das camadas de solo Tabela 2 Estados de compacidade e de consistência Tabela 3 Diâmetros de perfuração em rocha Tabela 4 Valores de resistividade de alguns minerais e rochas Tabela 5 Valores prováveis de velocidades de propagação de ondas acústicas para alguns materiais Tabela 6 Classificação a partir do número N 10 para solos granulares Tabela 7 Classificação a partir do número N 10 para solos coesivos, não saturados... 55

10 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Poço de inspeção Figura 2 Amostra indeformada de solo Figura 3 Amostra deformada de solo Figura 4 Tipos de Trado: (a) cavadeira, (b) espiral, (c) helicoidal Figura 5 Etapas da sondagem à percussão: (a) perfuração com trépano, (b) ensaio de penetração dinâmica, realizado a cada metro Figura 6 Cabeça e sapata do amostrador tipo Raymond de 50,8mm Figura 7 Tipos de amostradores: (a) Raymond, (b) de parede fina Shelby comum, (c) de parede fina de pistão, (d) Denison Figura 8 Execução de sondagem SPT Figura 9 Boletim de Sondagem SPT Figura 10 - Execução de sondagem rotativa Figura 11 - Equipamento de sondagem rotativa Figura 12 - Sondagem rotativa orientada Figura 13 Resultado do ensaio de cone (CPT) Figura 14 Equipamento tipo A Figura 15 Equipamento tipo B Figura 16 Pressiômetro de Menárd Figura 17 Célula pressiométrica para solos não-coesivos Figura 18 - Arranjo de eletrodos. Sondagem elétrica vertical e caminhamento elétrico Figura 19 - Levantamento geofísico por refração Figura 20 - Tempo de percurso gerado a partir de um levantamento geofísico por refração Figura 21 - Velocidade em um perfil de refração... 46

11 Figura 22 - Características de referência dos penetrômetros dinâmicos Figura 23 Equipamento DPL manual Figura 24 Equipamento DPL mecânico Figura 25 Ponteira de cravação e hastes utilizadas no ensaio DPL Figura 26 Esquema do equipamento DPL manual e ponteira de cravação Figura 27 Execução de ensaio DPL Figura 28 Execução de ensaio DPL Figura 29 Execução de ensaio DPL em talude Figura 30 Boletim de Sondagem DPL Figura 31 Valores de K para a equação Figura 32 Correlação obtida pela média de N 10 obtidos a cada metro Figura 33 Correlação obtida a partir da média dos valores de N 10 na penetração dos 30 cm finais de cada haste Figura 34 Correlação obtida através da soma de N 30 para cravação dos 30 cm finais de cada haste Figura 35 Resistência de ponta dos ensaios DPL e CPT (u) Figura 36 Correlação QC médio (CPT) com N 10 (DPL) para solo da região de Curitiba Figura 37 Correlação QC médio (CPT) com N 10 (DPL) para solo da região de Cascavel Figura 38 - Correlação QC médio (CPT) com N 10 (DPL) para solo da região de Cascavel Figura 39 Regressão linear entre Rp (CPT) e N DPL Figura 40 - Comparação entre os resultados de capacidade de carga obtidos através dos ensaios de DPL, SPT e prova e carga

12 SUMÁRIO 1 Introdução Objetivos Objetivos Gerais Objetivos Específicos Justificativa Estrutura do Trabalho Investigações de Campo Métodos Diretos Poços Sondagens à trado Sondagem à percussão Sondagem Rotativa Sondagem Mista Métodos Semi-indiretos Ensaio de Cone (CPT) Ensaio de palheta ( vane test ) Ensaio Pressiométrico (PMT) Métodos Indiretos Eletrorresistividade Métodos sísmicos Refração Reflexão... 46

13 3 Ensaio de Penetração Dinâmica (DPL) Generalidades Equipamentos Procedimentos Apresentação dos Resultados Análise e interpretação Correlações Correlações entre DPL e SPT Correlações entre DPL e CPT Capacidade de carga a partir do ensaio DPL Conclusões REFERÊNCIAS... 71

14 13 1 Introdução As exigências impostas pelo mercado da construção civil da atualidade levam o profissional de engenharia a estar cada vez mais preparado e apto para oferecer soluções eficientes, em curto prazo e com custo reduzido. Independente das áreas de atuação do engenheiro civil, as exigências são as mesmas e com a área de geotecnia não poderia ser diferente. Partindo do planejamento, pois não há soluções sem fundamento, como não há um prédio sem fundação, as investigações do subsolo se constituem um instrumento obrigatório, dentro da etapa de desenvolvimento de um projeto. Dada às proporções e relevância de um empreendimento, sempre se terá a preocupação inicial da realização das investigações geotécnicas. Vale ressaltar aqui a importância da realização destas para que seja feita a escolha certa quanto ao tipo de fundação que será utilizada e também a correta adequação entre os esforços que a estrutura irá impor ao solo e a capacidade de suporte do mesmo. É nesse contexto que se viabilizam as investigações realizadas com o auxílio do penetrômetro dinâmico leve (DPL Dynamic Probing Light). O ensaio DPL pode ser descrito como sendo um ensaio de campo dinâmico de fácil execução e que necessita de apenas dois operadores para sua realização. Este permite a investigação em locais de difícil acesso como, por exemplo, talude e áreas não urbanizadas devido à mobilidade de seu equipamento, que pode ser transportado em um carro de passeio convencional. Associado a essas vantagens está o fato de o ensaio DPL oferecer ao investigador elevada produtividade e velocidade de cravação. O ensaio DPL comumente é comparado com o ensaio de cone (CPT) devido à semelhança que existe entre eles no que diz respeito à energia transmitida ao solo durante a investigação. Pelo fato de ser um ensaio de penetração dinâmica (cravação da ponteira cônica através de golpes de martelo), este também é muita vezes correlacionado com o ensaio de SPT, ensaio difundido em todo o mundo.

15 14 A literatura atual apresenta diversas correlações, entre o ensaio de DPL e o ensaio de CPT e entre DPL e o ensaio SPT, tanto para definição das camadas adjacentes do subsolo como para obtenção da capacidade de carga dessas camadas. No presente trabalho, será apresentada a metodologia necessária à realização de alguns ensaios geotécnicos de campo bem como o ensaio DPL. Para o ensaio DPL serão apresentadas as vantagens e limitações que este ensaio apresenta quando de sua utilização, bem como as correlações existentes na literatura para obtenção dos parâmetros de resistência do solo, sua classificação e, por conseguinte, sua capacidade de carga. O trabalho tem seu início na apresentação de um breve histórico da evolução das investigações do subsolo e a caracterização, classificação e principais informações que estas oferecem aos investigadores. Em seguida será detalhado o processo das sondagens com o auxílio do equipamento de DPL, as partes constituintes do equipamento utilizado e as principais diferenças entre DPL e os ensaio de SPT (Standart Penetretion Test) e CPT (Cone Penetration Test). A partir das comparações entre DPL SPT e DPL CPT, apresentar-se-á as correlações entre estes que conduzem o investigador ao conhecimento da real capacidade de carga do solo. 1.1 Objetivos Objetivos Gerais Apresentar os tipos de investigações geotécnicas de campo utilizadas para caracterização do subsolo e as correlações existentes para definição da capacidade de suporte do terreno Objetivos Específicos Apresentar e detalhar as investigações geotécnicas de campo, tanto para definição de um planejamento mais detalhado de uma campanha geotécnica com a utilização de

16 15 investigações indiretas, quanto outros ensaios que coletam parâmetros de deformabilidade in situ. Em conjunto são apresentadas as investigações diretas, com o detalhamento dos ensaios de penetração dinâmica. 1.2 Justificativa Atualmente no mercado nacional e internacional utilizam-se métodos de ensaio para investigações do subsolo já consagradas. Como exemplo dessa realidade pode-se citar a utilização do ensaio SPT, que representa boa parte das investigações realizadas atualmente no Brasil. Em alguns casos, a realização do ensaio SPT torna-se inviável, a depender do porte da obra, pelo fato deste utilizar-se de considerável número de mão de obra, não poder ser executado em locais de difícil acesso (taludes), apresentar dificuldade de transporte para longas distâncias, bem como quando da existência de solos de baixa compacidade devido a alta energia aplicada durante o ensaio. Outra motivação considerável é de que a região do agreste de pernambucano está inserida em um ambiente cristalino com ocorrência de solos maduros, o que possibilita em muitos casos a identificação imediata do topo rochoso. Devido a essa característica peculiar, ao identificar-se o topo rochoso as fundações logo são nele apoiadas. A situação acima descrita não deve ser tomada como parâmetro em todas as localidades, pois, tendo em vista o considerável aumento do crescimento na ocupação do núcleo urbano, muitas edificações são construídas em áreas próximas a drenagens naturais, o que não reproduz as mesmas condições descritas. A cidade de Caruaru localizada na região agreste do estado de Pernambuco, estando a 130 km da cidade do Recife, capital do estado, está inserida na realidade descrita, onde a maioria das obras ali realizadas não são precedidas de investigações geotécnicas, sendo as fundações assentes na profundidade em que se encontrar o maciço rochoso. Essa situação dá-se principalmente pelo fato de não existir na cidade empresas especializadas para realização de sondagens o que implicaria na mobilização de equipamentos oriundos de outras localidades, como a própria capital Recife.

17 16 Sendo assim, alguns tipos de equipamento ocasionariam demasiada despesa a construtoras que necessitassem realizar investigações do subsolo no local da obra. Cabe aqui ressaltar a importância das investigações geotécnicas. Uma vez que a engenharia geotécnica se apoia em dois pilares, se assim podem ser chamadas, a capacidade estrutural do elemento de fundação e a deformação do solo quando este for solicitado pelo elemento estrutural. Com isso, procura-se estabelecer a capacidade de suporte do solo, de tal forma que o elemento estrutural, quando carregado pela reação do solo, se comporte dentro das especificações normativas e da utilização da estrutura. Diante disso, viu-se a necessidade de apresentar os procedimentos utilizados pelos diversos ensaios geotécnicos destacando entre eles o ensaio DPL. Esse conhecimento é essencial para que engenheiros, alunos de graduação, a comunidade acadêmica em geral e também os profissionais que atuam no mercado regional tenham informações sobre alternativas mais viáveis e que ofereçam dados confiáveis. Quanto aos alunos de graduação, é indispensável que as instituições responsáveis pela formação destes ofereçam aos discentes uma formação completa, fazendo com estes sejam capazes de atuar frente às exigências impostas pelo mercado de trabalho. 1.3 Estrutura do Trabalho A monografia foi dividida em cinco capítulos para melhor compreensão do leitor, estes são: Capítulo 1 Introdução; Capítulo 2 Investigações de campo; Capítulo 3 Sondagem DPL; Capítulo 4 Correlações; Capítulo 5 Conclusões.

18 17 O capítulo 1 apresenta a proposta do trabalho e sua motivação bem como a estrutura que compõe o estudo. O capítulo 2 trata das principais investigações geotécnicas realizadas no Brasil e no mundo. Nesse contexto serão apresentados alguns tipos de sondagem e como estas são classificadas, segundo o procedimento utilizado quando de sua realização e o tipo de amostra que se pode obter através destas. Serão apresentados os principais ensaios que caracterizam os métodos diretos, semiindiretos e indiretos de investigação do subsolo. No que diz respeito aos métodos diretos será explanado os procedimentos utilizados para realização das sondagens à trado, poços, sondagens à percussão, sondagem rotativa e sondagem mista. Para os métodos semi-indiretos serão detalhados os ensaios de cone (CPT), de palheta vane test e o ensaio pressiométrico. Por fim, para os métodos indiretos serão apresentados os ensaios geofísicos de eletrorresistividade, reflexão e refração. No capítulo 3 serão apresentadas as generalidades do ensaio do tipo DPL, a viabilidade do uso deste, quais os parâmetros que este pode oferecer ao investigador geotécnico, a interpretação dos dados do ensaio bem como estes, uma vez interpretados, podem oferecer a capacidade de carga do solo analisado. Serão apresentados também os principais tipos de penetrômetros dinâmicos, o equipamento que compõe o penetrômetro dinâmico leve (DPL) e a sequência de execução do ensaio do tipo DPL manual. O capítulo 4 apresentará as principais diferenças existentes entre o ensaio DPL e o ensaio SPT e entre o ensaio DPL e o ensaio de penetração de cone (CPT). Nesse contexto serão apresentadas as principais correlações existentes entre os resultados obtidos de cada ensaio. Por fim, o capítulo 5 irá discutir as conclusões a cerca dos métodos utilizados nos procedimentos dos ensaios, as limitações dos mesmos e a contribuição do presente trabalho.

19 18 2 Investigações de Campo Segundo Brito e Oliveira (1998) os processos para investigação do subsolo de natureza mecânica utilizados atualmente no Brasil são praticamente os mesmos desde o considerável desenvolvimento no setor de infraestrutura que data das décadas de 60 e 70. Pode-se dizer que a maioria das investigações realizadas no Brasil e no mundo utiliza-se do ensaio Standard Penetration Test (SPT), mais adiante explicado, como fonte principal para obtenção dos parâmetros do solo em estudo. Quando então, se deseja um conhecimento mais aprofundado, realizam-se outros tipos de ensaio como, por exemplo, o ensaio de penetração de cone Cone Penetration Test (CPT), ensaio de palheta ( Vane Test ), pressiômetro, entre outros. É sabido que o conhecimento prévio das condições em que se encontra o subsolo é pré-requisito indispensável para que se possa idealizar um projeto de fundações seguro e economicamente viável. Vale ressaltar também que é de grande relevância que o engenheiro de fundações tenha conhecimento sobre os tipos de ensaio disponíveis no mercado e os principais parâmetros que estes oferecem quando de sua realização. Segundo Schnaid (2000), no Brasil o custo gerado pela realização de sondagens de simples reconhecimento varia normalmente entre 0,2 e 0,5% do custo total da obra, sendo as informações obtidas através destas indispensáveis para previsão dos custos fixos associados ao projeto e sua solução. Os métodos de prospecção (sondagem) para reconhecimento do subsolo são classificados como diretos, indiretos e semi-indiretos (LIMA, 1979). Pode-se dizer que como vantagens dos métodos diretos em relação aos métodos indiretos e semi-indiretos está o fato dos métodos diretos possibilitarem ao investigador a análise direta do solo através da retirada de amostras deste, por outro lado estes apresentam desvantagens por terem seus resultados provenientes de natureza empírica ou semi-empírica. Este estudo vai ater-se nos métodos de prospecção do subsolo diretos, semi-indiretos e indiretos apresentando destacando o ensaio de penetração dinâmica do tipo DPL.

20 Métodos Diretos Os métodos diretos são aqueles de natureza empírica ou semi-empírica em que as medidas feitas por esses ensaios são diretamente correlacionadas ao desempenho das obras geotécnicas (SCHNAID, 2000). Como exemplo de métodos de investigação direta pode-se citar as sondagens à percussão, as escavações, entre outros. Esses métodos possibilitam a retirada de amostras deformadas e indeformadas do solo Poços Os poços são escavações manuais que podem avançar ao longo do perfil do solo até que se encontre o nível de água ou quando a escavação tornar-se instável, uma vez que, em geral, a cavação de poços é feita sem escoramento das paredes do furo (VELLOSO e LOPES, 2004). A norma brasileira NBR 9604 (1986, p. 1) define poço como sendo: [...] escavação vertical de seção circular ou quadrada quando projetada em um plano horizontal, com dimensões mínimas suficientes para permitir o acesso de um observador. A seção transversal dos poços deve ser de 1,0 m para aqueles com seção quadrada e de 1,2 m para os de seção circular. A figura 1 apresenta o momento da abertura de um poço de inspeção. Figura 1 Poço de inspeção Fonte: Reis (2010) A escavação inicia-se com a prévia limpeza superficial do terreno. Este tipo de procedimento utiliza-se de objetos como pás, picaretas e outros para abertura dos furos no

21 20 solo. Os poços permitem um exame do solo nas paredes e no fundo da escavação, bem como a retirada de amostras deformadas (amolgadas) e indeformadas do tipo bloco ou em anéis que permitem análises específicas em ensaios laboratoriais, estes que não são objeto desse estudo (VELLOSO e LOPES, 2004). Em geral as amostras do tipo indeformadas são envolvidas com parafina para que assim se possam preservar as características do solo in situ sendo estas a umidade natural, compacidade e estrutura deste. Retiradas as amostras, estas devem ser colocadas em caixas, que podem ser de madeira, e transportadas até o laboratório onde serão realizados os ensaios que se desejar no menor intervalo de tempo para que estas não sofram vibrações excessivas ou mesmo impactos (NBR 9604, 1986). As amostras do tipo deformadas são extraídas por meio de raspagem ou escavação, o que implica na destruição das propriedades naturais do solo (NBR 9604, 1986). A norma brasileira NBR 9604 recomenda ainda o número de amostras extraídas seja de acordo com o número de materiais diferentes que sejam identificados. Estas por sua vez são armazenadas em sacos plásticos e devidamente identificadas. As figuras 2 e 3 apresentam amostras de solo do tipo indeformadas e deformadas, respectivamente. Figura 2 Amostra indeformada de solo Fonte: Reis (2010)

22 21 Figura 3 Amostra deformada de solo Fonte: Reis (2010) As diferentes camadas de solo são classificadas de acordo com sua textura ou granulometria. Essa classificação é precedida de uma caracterização que determina as características do solo para que se possa distinguir uns dos outros. Essa caracterização se dá destacando-se a textura, cor, estruturas e plasticidade das camadas de solo identificadas. Esse procedimento é conhecido como análise tátil-visual. Após a análise tátil-visual, os diferentes tipos de solo identificados são submetidos ao ensaio de granulometria. Identificada a granulometria dos materiais pode-se classificar as camadas de solo utilizando-se como referência a escala granulométrica que é apresentada na norma brasileira NBR 6502/1995 (BRITO e OLIVEIRA, 1998). A caracterização táctil visual do solo auxilia o geotécnico na análise e expectativa de seu comportamento. As investigações de campo são realizadas por profissionais que possuem a experiência empírica do dia a dia das atividades. No entanto, é de responsabilidade do engenheiro geotécnico a análise das amostras vindas das sondagens e sua classificação. A escala granulométrica apresentada pela NBR 6502 (1995) e a classificação das camadas de solo está apresentada na tabela 1.

23 22 Tabela 1 Escala granulométrica que permite a classificação das camadas de solo Tipo de Solo Diâmetro das partículas (mm) Argila < 0,002 Silte entre 0,002 e 0,06 Areia fina entre 0,06 e 0,2 Areia média entre 0,2 e 0,6 Areia grossa entre 0,6 e 2,0 Pedregulho fino entre 2,0 e 6,0 Pedregulho médio entre 6,0 e 20,0 Pedregulho grosso entre 20,0 e 60,0 Fonte: NBR 6502 (1995) Sondagens à trado A sondagem a trado é um método direto de prospecção do subsolo que consiste numa perfuração de pequeno diâmetro feita com o auxílio de um trado que pode ser do tipo concha (cavadeira), helicoidal ou espiral (BRITO e OLIVEIRA, 1998). A figura 4 apresenta os tipos de trado utilizados no procedimento de ensaio. Figura 4 Tipos de Trado: (a) cavadeira, (b) espiral, (c) helicoidal Fonte: Velloso e Lopes (2004)

24 23 A profundidade do ensaio, assim como acontece com os poços, é limitada pelo nível d água e as amostras retiradas são deformadas. A coleta de amostras é feita a cada metro de perfuração ou quando as características do material que está sendo retirado mudam. É justamente a retirada de amostras que permite ao investigador a descrição e classificação dos horizontes de solo investigados ao longo do avanço da escavação. A norma brasileira NBR 9603 (1988) recomenda que a sondagem inicie-se com o trado do tipo cavadeira e quando o avanço com este tipo de trado tornar-se dispendioso devese utilizar o trado do tipo helicoidal. Brito e Oliveira (1998) afirma que as sondagens utilizando trados manuais são feitas para solos de baixa a média resistência e que se encontrem acima do nível de água Sondagem à percussão As sondagens à percussão são perfurações feitas no solo que, devido às características do equipamento utilizado, são capazes de ultrapassar o nível d água e solos relativamente compactos ou duros (VELLOSO e LOPES, 2004). Segundo a norma brasileira NBR 6484 (2001), que regulamenta as sondagens de simples reconhecimento, quando estas sondagens são associadas ao ensaio de penetração dinâmica (SPT), tem-se com finalidades: - a determinação dos tipos de solo com suas respectivas profundidades de ocorrência; - a posição do nível de água; - os índices de resistência à penetração (N) a cada metro. Os equipamentos utilizados para realização desse tipo de ensaio consistem em: roldana, tripé, bomba d água e trépano. O procedimento consiste em, inicialmente, antes de chegar ao nível de água, utilizar-se de um trado manual para perfuração do solo. Ao atingir a profundidade do nível d água ou um material resistente ao trado, a sondagem prossegue com o auxílio do trépano e circulação de água (BRITO e OLIVEIRA, 1998).

25 24 A cada avanço de um metro na perfuração é feito o ensaio de penetração dinâmica, pelo qual é possível a determinação do índice de resistência à penetração do solo. O ensaio de penetração dinâmica consiste na cravação de um amostrador normalizado, cravado no solo através de um peso de 65 kg lançado em queda livre de uma altura de 75 cm. Em seguida, anota-se o número de golpes necessários para cravar os 45 cm do amostrador. O resultado do ensaio (N SPT ) se dá através do número de golpes necessários para cravar os 30 cm finais do amostrador. É de relevante importância que se faça um revestimento do furo de sondagem quando este tornar-se instável. (VELLOSO e LOPES, 2004). Para a execução da sondagem, deve-se determinar previamente a área a ser investigada e a posição dos pontos a serem sondados. Para o caso de edificações, o investigador deve procurar dispor os furos de sondagem nos pontos de maior concentração de carga e também deve evitar pontos alinhados, de forma a permitir uma melhor interpretação do perfil geológico (CARVALHO, 1998). A figura 5 mostra o esquema do aparelho de sondagem com o trépano e o momento em que o avanço com este é interrompido para realizar-se o ensaio de penetração. Figura 5 Etapas da sondagem à percussão: (a) perfuração com trépano, (b) ensaio de penetração dinâmica, realizado a cada metro Fonte: Velloso e Lopes (2004)

26 25 A determinação dos tipos de solo dá-se pela extração de amostras deste a cada metro, quando se realiza o ensaio de penetração dinâmica. Essas amostras são do tipo deformadas. O amostrador padrão para retirada de amostras deformadas está mostrado na figura 6. Figura 6 Cabeça e sapata do amostrador tipo Raymond de 50,8mm Fonte: NBR 6484 (2001) Esse tipo de amostrador é denominado de amostrador Raymond-Terzaghi. Quando então se deseja retirar amostras indeformadas do solo utilizam-se amostradores especiais como os do tipo Shelby para o caso de argilas moles e o amostrador Denison no caso de solos muito resistentes (VELLOSO e LOPES, 2004). A figura 7 apresenta os amostradores do tipo Shelby, Denison e Raymond.

27 26 Figura 7 Tipos de amostradores: (a) Raymond, (b) de parede fina Shelby comum, (c) de parede fina de pistão, (d) Denison Fonte: Velloso e Lopes (2004) Também é possível identificar o tipo de solo através do estado de compacidade e consistência em que este se encontra. Este estado é representado pelo índice de resistência à penetração (N). A norma brasileira NBR 6484/2001 apresenta uma tabela que possibilita corelacionar o índice de resistência à penetração com o tipo de solo estudado. Esta está representada na tabela 2. Tabela 2 Estados de compacidade e de consistência Solo Índice de Resistência à penetração N Designação¹ Areias e siltes arenosos Argilas e siltes argilosos 4 Fofa(o) 5 a 8 Pouco compacta(o) 9 a 18 Medianamente compacta(o) 19 a 40 Compacta(o) > 40 Muito compacta(o) 2 Muito mole 3 a 5 Mole 6 a 10 Média (o) 11 a 19 Rija(o) > 19 Dura(o) 1 As expressões empregadas para a classificação da compacidade das areias (fofa, compacta, etc.), referem-se à deformabilidade e resistência desses solos, sob o ponto de vista de fundações, e não devem ser confundidas com as mesmas denominações empregadas para a designação da compacidade relativa das areias ou para a situação perante o índice de vazios críticos, definido na Mecânica dos Solos. Fonte: NBR 6484 (2001)

28 27 As figuras 8 e 9 apresentam o momento da execução de um ensaio do tipo SPT e um boletim de sondagem também do tipo SPT, respectivamente. Figura 8 Execução de sondagem SPT Fonte: Cruz (2012)

29 28 Figura 9 Boletim de Sondagem SPT Fonte: Cruz (2012) A profundidade a ser atingida pelo ensaio de SPT depende do porte da obra e das cargas que serão transmitidas para o terreno, para que não se perfure a mais ou a menos é recomendável que o procedimento de sondagem seja acompanhado pelo projetista de fundações. De essencial importância é também a determinação do nível d água. Quando esta for detectada deve-se aguardar até que esta tenha sua altura estabilizada e em seguida será anotada a correspondente profundidade em que esta apareceu (CARVALHO, 1998).

30 29 No que diz respeito às vantagens apresentadas pelo ensaio SPT, Schnaid (2000, p.10) aponta: [...] simplicidade do equipamento, baixo custo e obtenção de um valor numérico de ensaio que pode ser relacionado com regras empíricas de projeto. Dentre as desvantagens apresentadas pelo ensaio de penetração dinâmica (SPT), Bellicanta e Ferraz (2000, p.1) afirmam que a determinação do índice de resistência à penetração (N) [...] está associada diretamente à energia contida em cada golpe do martelo, que é transmitida à composição de hastes e que estará disponível à cravação do amostrador. Nesse contexto N é inversamente proporcional à energia transmitida ao amostrador em cada golpe de martelo. A ocorrência desse fato é motivo de crítica frente aos resultados obtidos através do ensaio de SPT, pois estes estão diretamente relacionados com a forma com que o equipamento é operado durante a realização do ensaio. Vale ressaltar também que os resultados obtidos através do ensaio de SPT estão também relacionados com o tipo de equipamento que é utilizado. No Brasil, esse equipamento é do tipo manual, porém existem também equipamentos mecanizados onde a influência do operador não é relevante para o resultado final do ensaio. Outro ponto que merece destaque e que é apontado por Schnaid (2000, p. 11) é o fato da não padronização do ensaio, existindo diferentes procedimentos e equipamentos diferentes do padrão internacional adotado e concretizado pela ASTM (American Society for Testing and Materials) em Este ainda afirma: [...] existem diferentes técnicas de perfuração, equipamentos e procedimentos de ensaio nos diferentes países, resultantes de fatores locais e grau de desenvolvimento tecnológico no setor, o que resulta em desuniformidade de significado dos resultados obtidos. Mesmo apresentando desvantagens, os ensaios do tipo SPT representam grande parcela dos ensaios realizados nas obras de engenharia ao longo do Brasil Sondagem Rotativa A sondagem do tipo rotativa é realizada quando no solo analisado a camada de solo é de alta resistência ou quando no decorrer da sondagem à percussão encontra-se uma camada de rocha. Este tipo de sondagem só se justifica quando a rocha aflora ou quando há necessidade de coleta de amostras dos solos que recobrem o maciço rochoso (LIMA, 1979).

31 30 Ainda segundo Lima (1979), as sondagens rotativas tem por objetivo principal a extração de amostra da rocha, chamada de testemunho. As amostras de rocha permitem a identificação das descontinuidades da rocha. Quando a sondagem é orientada, ou seja, ao longo de cada manobra são realizadas marcações no topo do testemunho, é possível a tomada das atitudes do maciço rochoso em pesquisa. Além disso, as sondagens possibilitam a realização de ensaios in situ, como o ensaio de perda de água,a fim de determinar o grau de permeabilidade da rocha, bem como o comportamento de fendas e falhas (abertura ou fechamento). Outro ensaio não muito corrente é o ensaio de fraturamento hidráulico, onde a partir dele é possível se obter referências de deformabilidade do maciço rochoso. O equipamento utilizado na execução das sondagens rotativas compõe-se basicamente de: sonda (motor, guincho e cabeçote de perfuração), hastes de perfuração, barrilete, conjunto motor-bomba, coroa e revestimento quando as paredes do furo se tornarem instáveis. Segundo Velloso e Lopes (2004, p. 38) [...] o processo de perfuração consiste basicamente em fazer girar as hastes (pelo cabeçote de perfuração) e em forçá-las para baixo (em geral por um sistema hidráulico). Este é um procedimento do tipo mecânico. As hastes têm, em geral, comprimentos que variam entre 1,5m e 6,0 m. Estas são responsáveis por transmitirem o giro à coroa de perfuração e carregam em si lama que é destinada a refrigeração das peças de corte e que transportam os resíduos de solo resultantes da perfuração. Durante a execução da sondagem rotativa, o barrilete é o responsável por fazer a coleta de testemunhos. Segundo Lima (1979) estes são presos à primeira haste que é introduzida no solo. O barrilete pode ser de três tipos: simples, duplo e duplo giratório. O barrilete possui em sua extremidade uma coroa que é a ferramenta de corte da sondagem rotativa. Esta pode ter em sua composição pastilhas de tungstênio ou diamantes. Velloso e Lopes (2004) destacam os diferentes tipos de diâmetros que podem ser utilizados nas sondagens rotativas. Os diâmetros são variados, pois na impossibilidade de se avançar na perfuração com um determinado tipo de diâmetro, pode-se utilizar um diâmetro maior. Estes afirmam, ainda, que a qualidade da amostra depende diretamente do tipo e do diâmetro do amostrador utilizado.

32 31 A tabela 3 apresentam a classificação dos diâmetros, os diâmetros da coroa e os respectivos diâmetros dos testemunhos que estes possibilitam retirar da rocha. Diâmetro Tabela 3 Diâmetros de perfuração em rocha Diâmetro da coroa (pol; mm) Diâmetro do testemunho (mm) EX 1,47; 37,3 21 AX 1,88; 47,6 30 BX 2,35; 59,5 41 NX 2,97; 75,3 54 HX 3,89; 98,8 76 Fonte: Velloso e Lopes (2004) As figuras 10, 11 e 12 mostram o momento da execução de uma sondagem rotativa, o equipamento completo utilizado para realização da sondagem e o detalhe de uma perfuração orientada utilizando a sondagem rotativa, respectivamente. Figura 10 - Execução de sondagem rotativa Fonte: Cruz (2012)

33 32 Figura 11 - Equipamento de sondagem rotativa Fonte: Cruz (2012) Figura 12 - Sondagem rotativa orientada Fonte: Cruz (2012)

34 Sondagem Mista A sondagem mista é a combinação dos métodos de sondagem à percussão e sondagem rotativa. Os dois métodos são alternados e essa alternância depende da natureza da camada de solo (LIMA, 1979). O ensaio será executado como auxílio do trépano de lavagem à medida que as camadas do solo permitirem. No entanto, ao atingir camadas com solo de alta resistência ou rochosos, dá-se continuidade a investigação com o equipamento utilizado na execução da sondagem rotativa. Lima (1979) recomenda que se tenha o conhecimento prévio da área que será investigada para se providenciar desde o início das investigações o equipamento necessário à execução da sondagem mista. 2.2 Métodos Semi-indiretos Os métodos chamados semi-indiretos são, segundo Lima (1979), ensaios que oferecem informações sobre o solo em estudo, no entanto, não possibilitam [...] a coleta de amostras ou informações sobre a natureza do solo, a não ser por correlações indiretas Ensaio de Cone (CPT) O ensaio de cone desenvolveu-se na Holanda na década de 30 no Laboratório de Mecânica dos Solos da cidade de Delft. Inicialmente, dois equipamentos foram desenvolvidos: o primeiro tinha por objetivo a obtenção de dados sobre a consistência dos solos aluvionais situados a oeste da Holanda; o segundo teria de obter dados para o projeto de fundações em estacas assentes sobre camadas arenosas adjacentes às camadas argilosas. O ensaio de cone recebeu ao longo do tempo várias denominações como, por exemplo, ensaio de penetração estática, ensaio de cone mecânico ou simplesmente ensaio de cone (CARVALHO et al., 1998). Atualmente, o ensaio é conhecido internacionalmente como Cone Penetration Test (CPT) ou ensaio CPT.

35 34 O ensaio de cone difundiu-se assim em todo o mundo graças à qualidade das informações que este oferece (VELLOSO e LOPES, 2004). A norma brasileira NBR (1991) especifica o equipamento necessário à realização do ensaio como sendo um cone com um ângulo de ponta de 60 ± 5 graus e diâmetro de base entre 34,8mm e 36,0mm; luva de atrito com o mesmo diâmetro especificado para a base cilíndrica do cone com tolerância de +0,5 mm; tubo externo com diâmetro não maior do que aquele da base cilíndrica do cone e constante. Estes devem ter o mesmo comprimento e devem ser acoplados uns aos outros de forma a ficarem retilíneos, solidários e contínuos ao longo da perfuração. É sugerido que os tubos tenham comprimento igual a 1m; hastes internas retilíneas com diâmetro de 0,7mm a 1,5mm, diâmetro este menor que o dos tubos externos. O ensaio consiste, basicamente, na cravação a velocidade lenta e constante (estática ou quase estática), do conjunto haste-cone onde é possível medir-se a resistência de ponta e a resistência por atrito lateral (VELLOSO e LOPES, 2004). A velocidade de penetração da ponteira cônica é especificada pela NBR (1991) como sendo de 2 cm/s. Schnaid (2000, p. 44) descreve o equipamento de cravação da seguinte forma: [...] estrutura de reação sobre a qual é montado um sistema de aplicação de cargas. Geralmente são utilizados sistemas hidráulicos e o pistão é acionado por uma bomba hidráulica acoplada a um motor. O que controla a velocidade de cravação é uma válvula reguladora de vazão. O conjunto pode ser montado sobre um caminhão cuja capacidade varie entre 10 e 20 toneladas. A medida constante da resistência do solo à penetração permite uma descrição completa da estratigrafia do mesmo. Segundo Velloso e Lopes (2004) é da razão (R f ) entre o atrito lateral (f s ) e a resistência de ponta (q c ) que se pode identificar qual o tipo de solo está sendo atravessado. Schnaid (2000) afirma que valores de q c relativamente altos e valores de R f da ordem de 1% caracterizam, por exemplo, uma camada de areia. No entanto, camadas de argila possuem um comportamento oposto, com baixos valores para q c e valores de R f acima de 5%. Ainda segundo este mesmo autor o diferencial do ensaio de cone está no fato deste proporcionar registros contínuos da resistência à penetração e na eliminação de qualquer influência do operador na medida dos dados do ensaio.

36 35 A figura 13 apresenta o resultado de um ensaio CPT, demonstrando os valores de resistência de ponta (q c ), atrito lateral (f s ) e a porcentagem da razão entre estes (R f ). Figura 13 Resultado do ensaio de cone (CPT) Fonte: Schnaid (2000) Ensaio de palheta ( vane test ) O ensaio de palheta ( vane test ) é empregado para determinação da resistência ao cisalhamento não drenada do solo in situ (S u ) (SCHNAID, 2000). O ensaio de palheta desenvolveu-se na Suécia em 1919 por John Olsson, sendo aperfeiçoado na década de 1940 onde assumiu a forma que é empregada até os dias de hoje. No Brasil o ensaio foi introduzido em 1949 e em outubro de 1989, este foi normalizado pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) e registrada no INMETRO como NBR (SCHNAID, 2000).

37 36 Segundo a norma brasileira NBR (1989) este tipo de ensaio é aplicado para solos do tipo argilosos moles a rijos saturados. A determinação da resistência ao cisalhamento dá-se através de uma palheta de seção cruciforme que é inserida no solo e submetida um torque capaz de cisalhá-lo por rotação. A resistência ao cisalhamento não drenada é medida [...] admitindo-se que a ruptura se dá na superfície do cilindro de diâmetro d e altura h (diâmetro e altura da palheta, respectivamente) (VELLOSO e LOPES, 2004, p. 43). A NBR (1989) detalha o equipamento da seguinte forma: palheta com quatro pás com diâmetro de 65 mm e altura de 130 mm podendo ser utilizado um diâmetro de 50mm e altura de 100mm quando o ensaio for executado em argila rija; haste fina com diâmetro de 13±1mm capaz de cravar a palheta em 50cm no solo; tubo de proteção da haste fina com diâmetro externo de 20±1mm com função de eliminar o atrito entre a haste fina e o solo; hastes de extensão com segmentos acopláveis de 1m capazes de suportar o peso próprio sem deslizamento significativo durante o ensaio; equipamento de unidade de torque e medição que imponha rotação às hastes através de engrenagens. Esta também apresenta dois tipos de equipamentos que podem ser empregados quando da realização do ensaio de palheta: equipamento tipo A e tipo B. O equipamento do tipo A apresenta resultados de melhor qualidade para o ensaio. Ensaios utilizando-se desse tipo de equipamento são ditos ensaios sem perfuração prévia. Este tipo de equipamento permite cravação estática em solos moles (baixa consistência) a partir do nível do terreno. Durante a realização do ensaio a palheta é protegida por uma sapata e o tubo de proteção é mantido centralizado (SCHNAID, 2000). Quando a profundidade desejada é atingida o equipamento permite cravar a palheta 0,5m no solo. Ensaios realizados com equipamentos do tipo B são realizados no interior de uma perfuração prévia no solo. Este tipo de equipamento é mais susceptível a erros devido ao fato de ocorrência de atrito mecânico e translação da palheta. Para minimizar esses efeitos a NBR 10905(1989) faz as seguintes recomendações: - utilizar espaçadores com rolamentos em intervalos não superiores a 3m ao longo das hastes de extensão. [...] o conjunto das hastes se apoia em um dispositivo com rolamentos

38 37 instalados na extremidade inferior das hastes, que, por sua vez, está conectado ao tubo de proteção da haste fina, que permanece estacionário durante o ensaio. Através dessa configuração é evitado o atrito e a translação da palheta (NBR 10905, 1989, p. 2); - [...] todos os rolamentos devem ser bem lubrificados e vedados para evitar o ingresso de solo (NBR 10905, 1989, p. 2). Um esquema do equipamento do tipo A e do tipo B está representado nas figuras 14 e 15, respectivamente. Figura 14 Equipamento tipo A Fonte: NBR (1989)

39 38 Figura 15 Equipamento tipo B Fonte: NBR (1989) Posteriormente à introdução da palheta no solo, na profundidade desejada, [...] posiciona-se a unidade de torque e medição, zeram-se os instrumentos e aplica-se imediatamente o torque com velocidade de 6 /minuto (SCHNAID, 2000, p. 94). O intervalo entre o final da cravação da palheta e o início da aplicação do torque é de 5 minutos. A resistência ao cisalhamento não drenada é obtida a partir da seguinte formulação: S u = 0,86 T/πD 3 Equação 2.1 Onde: T torque máximo medido D diâmetro da palheta

40 39 π 3,1416 O ensaio de palheta permite também a medição da resistência amolgada (S ur ). Esta é obtida pela mesma formulação da equação 2.1, utilizando-se o valor do torque correspondente a condição amolgada (SCHANID, 2000) Ensaio Pressiométrico (PMT) A realização do ensaio pressiométrico se dá pela realização de um pré-furo no solo, onde é introduzida uma sonda ou uma célula cilíndrica. Vale ressaltar que existem equipamentos que não necessitam da realização de um pré-furo no solo, ou seja, são equipamentos que possuem autoperfuração. A célula, normalmente de borracha, é introduzida no furo e expande-se mediante a injeção de água pressurizada. A variação de volume e a pressão aplicada são medidas na superfície do terreno (VELLOSO e LOPES, 2004). A norma que regulamenta o ensaio pressiométrico é a ASTM D4719 (Standard Test Method for Prebored Pressuremeter Testing in soils). No que diz respeito aos equipamentos pressiométricos, estes se diferenciam pela forma de introdução da sonda no solo. Segundo Schnaid (2000) os pressiômetros podem ser classificados em três categorias, a depender de sua forma de inserção no solo, onde os pressiômetros são chamados de pressiômetro de pré-furo, pressiômetro autoperfurante e pressiômetro cravante. O pressiômetro do tipo PBPMT (Preboring Pressuremeter) ou pressiômetro de Menárd é utilizado através de um pré-furo no solo. Faz-se uma furação adequada no solo de modo que a sonda fique devidamente ajustada na cavidade aberta para que assim evite-se a perturbação (amolgamento) do solo durante a perfuração. Segundo Angelim (2011) este é um dos condicionantes essenciais para que sejam realizados ensaio de boa qualidade. A figura 16 apresenta o pressiômetro de Menárd que necessita da realização de um pré-furo no solo para que seja inserido neste.

41 40 Figura 16 Pressiômetro de Menárd Fonte: Penna (2012) O equipamento do tipo SBPMT (Selfboring Pressuremeter) possui auto-perfuração onde a sonda perfura o seu caminho até a cota de realização do ensaio. Segundo Angelim (2011) a técnica do pressiômetro autoperfurante consiste em minimizar os efeitos do amolgamento do solo ao redor da sonda, que é gerado pela iserção da sonda. O procedimento consiste em cravar a sonda no solo enquanto as partículas que são deslocadas pelo dispositivo são fragmentadas por uma sapata cortante e removidas por flluxo de água para a superfície. Ainda existem os equipamentos do tipo DCPMT (Driven Cone Pressuremeter) e PCPMT (Pushed Cone Pressuremeter) que possuem o formato da ponteira da célula pressiométrica em forma de cone e equipamento do tipo PSPMT (Pushed Shelby Tube Pressuremeter) que se utiliza de um tubo de revestimento e a penetração da célula pressiométrica é realizada por pressão (cravação) (SILVA, 2001). A figura 17 ilustra uma célula pressiométrica utilizada para solos não-coesivos. Figura 17 Célula pressiométrica para solos não-coesivos Fonte: Penna (2012)

42 41 Segundo Velloso e Lopes (2004), a interpretação dos resultados do ensaio fornece: - estado de tensões iniciais: tensão horizontal e o coeficiente de empuxo no repouso; - propriedades de deformação: módulo de Young pressiométrico (E) e módulo cisalhante (G); - resistência do solo: resistência não drenada de argilas saturadas; - pressão limite, associada às condições de ruptura do solo. 2.3 Métodos Indiretos Brito e Oliveira (1998, p. 162) define os métodos indiretos como sendo [...] aqueles que utilizam as feições topográficas, as morfológicas e as propriedades físicas do terreno para determinar, indiretamente, a distribuição dos corpos geológicos e suas características físicas e tecnológicas. Como exemplo desses métodos pode-se citar os ensaios geofísicos, o sensoriamento remoto e o ensaio de penetração estática. Segue alguns dos métodos geofísicos utilizados para diversos fins entre eles o objeto desse estudo que são as investigações das diferentes camadas do subsolo Eletrorresistividade Segundo Koefoed (1979 apud NASCIMENTO, 2004) a resistividade elétrica de qualquer que seja a substância é definida como sendo a resistência à passagem de corrente elétrica que esta oferece. Esta é expressa em unidade de resistência (ohm) multiplicada por unidade comprimento (m). Segundo Borges et al. (2006) [...] os principais fatores que influenciam na variação da resistividade elétrica dos materiais são: composição mineralógica, quantidade de água presente nos poros, sólidos totais dissolvidos (STD), porosidade e temperatura. Com isso pode-se concluir que devido à grande diversidade dos perfis geológicos, cada uma das camadas do solo irá apresentar comportamentos diferentes quanto à condução da corrente elétrica e consequentemente estas poderão ser identificadas a partir de valores de resistividade.

43 42 Segundo Braga e Moreira (2008) o método da eletrorresistividade consiste na geração de um campo elétrico em subsuperfície, provocado pela injeção de uma corrente elétrica (I) que é transmitida através de um dispositivo eletródico representado por hastes metálicas denominado circuito transmissor. A eletrorresistividade pode ser medida utilizando-se de dois métodos: sondagem elétrica vertical e caminhamento elétrico. O processo por sondagem elétrica vertical consiste em medir a resistividade na superfície terrestre através da combinação de eletrodos de emissão (AB) e de recepção (MN). Através dos eletrodos de emissão é enviada uma corrente elétrica enquanto que os eletrodos de recepção medem a diferença de potencial (ΔV) resultante do envio da corrente elétrica (BRITO e OLIVEIRA, 1998). Segundo Brito e Oliveira (1998), a resistividade aparente entre os eletrodos de recepção é dada por: r a = ΔV/I Equação 2.2 Com o valor da resistividade aparente da parte do subsolo imediatamente abaixo dos eletrodos de recepção pode-se encontrar a resistividade aparente correspondente que é dada por: ρ a = r a.k Equação 2.3 Onde K é um fator genérico que está relacionado com o espaçamento entre os eletrodos. O processo de caminhamento elétrico tem como objetivo principal o conhecimento da distribuição horizontal da resistividade elétrica a uma ou várias profundidades. O procedimento é análogo àquele utilizado pelo método de sondagem elétrica vertical onde uma corrente elétrica é injetada no solo também através dos eletrodos de emissão com os eletrodos de recepção medindo-se por seguinte a diferença de potencial (ΔV) que será utilizado nas equações 2.2 e 2.3 (BRITO e OLIVEIRA, 1998).

44 43 Tendo-se conhecimento da distribuição horizontal da resistividade elétrica é possível identificar possíveis contatos geológicos, mineralizações, fraturamentos, falhamentos, entre outros. Brito e Oliveira (1998) apresenta na tabela 4 valores de resistividade de alguns minerais e rochas. Tabela 4 Valores de resistividade de alguns minerais e rochas Fonte: Brito e Oliveira (1998) A figura 16 apresenta o arranjo dos eletrodos de realização de sondagens elétricas verticais (SEV) e caminhamento elétrico (CE). Resistividade (variação ou Mineral ou Rochas valor médio em ohm.m) Bauxita Água superficial Água do mar 0,2 Grafita Granito porfirítico (saturado) 4, Diabásico Basalto 10 1, Xisto Gnaisse (seco) Quartzito Argilas Consolidadas Argilas inconsolidadas úmidas 20 Conglomerados 2.10³ Arenitos 1 6, Calcários

45 44 Figura 18 - Arranjo de eletrodos. Sondagem elétrica vertical e caminhamento elétrico 7 Fonte: Cruz (2012) Métodos sísmicos O procedimento de investigação denominado sísmico se utiliza da propagação de ondas acústicas para identificação do substrato geológico Refração Este método consiste na medição do tempo de propagação das ondas acústicas que viajam pelas diferentes camadas do subsolo e refratam quando encontram meios (camadas) que possuem maior velocidade de propagação. As ondas acústicas ao retornarem são captadas por equipamentos sensíveis chamados geofones, os quais ficam instalados ao longa da seção de refração. As ondas são geradas a partir de fontes de energia de natureza impulsivas, normalmente utilizam-se explosivos, no entanto onde não é possível utilizar-se dessa fonte de

46 45 energia (áreas urbanas, por exemplo) utilizam-se outras fontes alternativas como o martelo, rifle sísmico ou queda de pesos (BRITO e OLIVEIRA, 1998). O resultado do ensaio é apresentado em um gráfico do tempo versus distância de propagação donde pode-se obter o valor da velocidade de propagação das ondas pela qual é feita as devidas interpretações. Brito e Oliveira (1998) apresenta alguns valores de velocidade de propagação das ondas e a possível interpretação tendo em vista essa velocidade na tabela 5. Tabela 5 Valores prováveis de velocidades de propagação de ondas acústicas para alguns materiais Velocidade (m/s) Provável tipo de material Solos, depósitos superficiais de sedimentos não-consolidados Argilas e areias, não-consolidadas Areias saturadas, argilas compactas, rochas bastante alteradas Sedimentos consolidados e provavelmente saturados, rochas metamórficas ou ígneas, altamente fraturadas e/ou alteradas, arenito e folhelhos Folhetos, arenitos, rochas ígneas e metamórficas alteradas e/ou fraturadas Rochas ígneas e metamórficas fracamente alteradas e/ou fraturadas Rochas ígneas e metamórficas sãs Fonte: Brito e Oliveira (1998) A figura 17 apresenta um exemplo de um levantamento geofísico por refração em um empreendimento de barragem. Já as figuras 18 e 19 apresentam o tempo de percurso e a velocidade dos perfis de refração, respectivamente. Figura 19 - Levantamento geofísico por refração Fonte: Cruz (2012)

47 46 Figura 20 - Tempo de percurso gerado a partir de um levantamento geofísico por refração Fonte: Birelli et al (2004) Figura 21 - Velocidade em um perfil de refração Reflexão Fonte: Birelli et al (2004) Esse método consiste também na emissão de ondas acústicas na superfície onde a energia emitida se erradia esfericamente. A partir da emissão dessa energia, parte retorna a superfície quando encontram camadas com diferentes impedâncias acústicas (produto da densidade e da velocidade de propagação das ondas). Quanto maior essa diferença, maior será o retorno do sinal à superfície. Parte da energia sempre retornará aos sensores de captação quando encontrar-se com as diferenças de impedância acústica independente da velocidade de propagação das ondas o que faz com que o método sísmico de reflexão seja mais vantajoso quando comparado ao método sísmico de refração (BRITO e OLIVEIRA 1998).

48 47 3 Ensaio de Penetração Dinâmica (DPL) 3.1 Generalidades Os ensaios de penetração dinâmica de cone foram desenvolvidos na Holanda em meio à necessidade de investigações em fundações antigas em locais onde o lençol freático encontrara-se próximo a superfície. Nestes locais as investigações utilizando-se do ensaio de SPT não eram viáveis porque além do lençol freático encontrar-se próximo a superfície, solos do tipo areno-siltosos migravam com facilidade para dentro do tubo de revestimento da sondagem criando assim um solo que não oferecia resistência ao amostrador de Terzaghi, o que fazia com que os valores obtidos através do ensaio fossem consideravelmente baixos demandando soluções de custo elevado para execução das fundações (DUARTE, 2002). É nesse contexto que surgiram os diversos cones de penetração dinâmica que quando utilizados para investigações abaixo do lençol freático ou em alguns solos com baixa resistência não apresentavam problema (DUARTE, 2002). Entre os ensaios de penetração dinâmica de cone está o ensaio do tipo DPL. O ensaio DPL (Dynamic Probe Light) é um ensaio de penetração dinâmica de fácil execução que se utiliza de um equipamento simples, utilizando-se de pouca mão de obra para sua execução, possui facilidade na mobilização dos equipamentos e baixo custo para execução (RODRIGUEZ e ALBUQUERQUE, 2011). Este não se utiliza de nenhum tipo de equipamento à base de energia elétrica. Todo o equipamento utilizado pode ser transportado num carro de passeio. Através do ensaio DPL é possível uma alta produtividade, chegando a cravação de 50 m por dia por equipamento e pode ser utilizado em locais de difícil acesso (NILSSON, 2009). Como exemplo pode-se citar investigações em taludes, locais com vegetação intacta, entre outros. A alta produtividade está relacionada ao tempo utilizado para deslocamento do equipamento de um furo para outro e também ao tempo de montagem deste em novo furo, que segundo Azevedo e Guimarães (2009) varia entre 5 e 10 minutos.

49 48 Segundo Machio et al. (2008), a investigação do subsolo utilizando-se do equipamento de DPL é indicada quando se deseja conhecer a resistência do solo ou quando é preciso um grande número de investigações em locais de difícil acesso, como citado anteriormente. Nilsson (2004a) afirma que através do ensaio DPL é possível identificar a estratigrafia do solo, o nível de água bem como as resistências de ponta e lateral do perfil do solo investigado. No Brasil, atualmente, a maior parte das investigações do subsolo é feita utilizando-se do ensaio de SPT, no entanto, o DPL do tipo Nilsson vem sendo utilizado desde 2001 no país (MASCHIO et al., 2008). Por não possuir normatização própria, a utilização do DPL no Brasil segue rigorosamente os critérios das normas ISSMFE 1989 e DIN 4094 tanto para os procedimentos aplicados como no equipamento utilizado (AZEVEDO e GUIMARÃES, 2009). Segundo Nilsson (2004a, p. 1) o equipamento DPL Nilsson é um modificado equipamento DPL que [...] agrega torquímetro e dispensa motor, o que beneficia em fornecimento de parâmetros de resistência e excelente efetividade na execução. Este tipo de equipamento utiliza também uma plataforma niveladora. A utilização dessa plataforma niveladora permite uma menor margem de erro nos resultados do ensaio devido ao fato de estas permitirem um maior alinhamento (prumo) do equipamento. Existem outros tipos de ensaios que se utilizam da penetração de um cone maciço no solo de forma dinâmica como é o caso do ensaio DPL, afirma Filho (2007). Estes são os ensaios DPM (Dynamic Probing Midium), DPH (Dynamic Probing Heavy), e DPSH (Dynamic Probing Super Heavy) estando no peso do martelo à diferença entre eles. O ensaio DPM utiliza-se de um martelo com peso que varia entre 10 kg e 40 kg. O ensaio DPH utiliza um martelo com peso entre 40 kg e 60 kg. Já o ensaio do tipo DPSH se utiliza de um martelo com peso superior a 60 kg. Nestes ensaios o comprimento das hastes e o diâmetro da ponteira são alterados conforme o peso do equipamento. Para todos os casos o ângulo da ponteira é de 90, exceto para equipamento DPL que utilizam ponteiras com diâmetro de 60 e 30 (FILHO, 2007). Disso pode-se concluir que a maior diferença entre os ensaios de penetração dinâmica de cone está na energia que é transmitida ao solo.

50 49 cone. A figura 22 faz um resumo dos equipamentos utilizados nos ensaios de penetração de Figura 22 - Características de referência dos penetrômetros dinâmicos Fonte: ISSMFE TC 16 (1989) 3.2 Equipamentos O equipamento utilizado no ensaio DPL consiste basicamente em hastes, ponteira cônica de cravação no solo, martelo, haste guia e cabeça de bater. A ponteira (cone) de penetração no solo apresenta diâmetros que variam de 30 mm a 36 mm a depender do tipo de equipamento utilizado e da norma de regulamentação vigente no país. As hastes por sua vez possuem um diâmetro que também varia de 20 mm a 22 mm, comprimento de 1m e segmentos rosqueáveis que permitem o acoplamento sucessivo destas. Cabe aqui ressaltar que existem equipamentos DPL manuais e mecânicos, estando o objeto desse estudo nos equipamentos manuais devido a sua utilização no Brasil.

51 50 As figuras 20 e 21 ilustram os equipamentos de DPL do tipo manual e mecânico, respectivamente. Figura 23 Equipamento DPL manual Fonte: Duarte (2002) Figura 24 Equipamento DPL mecânico Fonte: Duarte (2002)

52 51 A configuração onde se têm o diâmetro das hastes menor que o diâmetro da ponteira, confere ao ensaio DPL um menor contato das hastes com o solo, este sem exercer pressão significativa nas mesmas, afirma Azevedo e Guimarães (2009) o que poderia interferir nos dados obtidos do ensaio. A figura 22 apresenta as hastes e a ponteira de cravação no solo. Figura 25 Ponteira de cravação e hastes utilizadas no ensaio DPL Fonte: Rodrigues e Albuquerque (2011) O esquema geral do equipamento manual utilizado no ensaio DPL está representado na figura 23. Figura 26 Esquema do equipamento DPL manual e ponteira de cravação Fonte: Filho (2010)

53 Procedimentos O ensaio consiste em fazer penetrar no solo um cone conectado a hastes através de pancadas de um peso de 10 kg caindo em queda livre de uma altura de 50 cm. Conta-se então o número de pancadas necessárias para a cravação de cada 10 cm de haste (COELHO, 1996). De acordo com a norma alemã DIN 4094 (apud FILHO, 2010), a velocidade de cravação das hastes no solo deve ser de aproximadamente de 15 a 30 golpes por minuto. A execução do ensaio tem início com um pré-furo de 15 cm de diâmetro e 30 cm de profundidade. Em seguida é inserido no pré-furo uma haste já com a ponteira nela acoplada e esta é nivelada junto com a plataforma niveladora. Na haste são conectados a cabeça de bater, a haste guia, o martelo e o coxim que demarca a altura de 50 cm. Montado o conjunto, dá-se início ao ensaio com o cravamento das hastes e a anotação do número de golpes necessários à cravação de cada 10 cm de haste que é registrado no boletim de campo. Ao avançar de cada metro pode-se realizar o ensaio de torque. Ao final da cravação da haste, acopla-se uma nova haste a que já está cravada no solo, através de rosqueamento, e assim sucessivamente até atingir a profundidade desejada. A profundidade máxima de alcance é de aproximadamente 12 m, fator este que deve ser levado em consideração na utilização desse tipo de ensaio (NILSSON, 2009). As figuras 24, 25 e 26 retratam o momento da execução do ensaio DPL. Figura 27 Execução de ensaio DPL Fonte: Azevedo e Guimarães (2009)

54 53 Figura 28 Execução de ensaio DPL Fonte: Filho (2010) Figura 29 Execução de ensaio DPL em talude Fonte: MOTA-ENGIL (2012) 3.4 Apresentação dos Resultados A figura 27 apresenta os resultados de uma sondagem do tipo DPL representados num boletim de sondagem.

55 54 Figura 30 Boletim de Sondagem DPL Fonte: Nilsson (2009) 3.5 Análise e interpretação Azevedo e Guimarães (2009) apresentam interpretações sobre a identificação das camadas do subsolo através do número de golpes (N 10 ) necessários à penetração da ponteira cônica utilizada no ensaio DPL. Estas se encontram nas tabelas 6 e 7.

56 55 Tabela 6 Classificação a partir do número N 10 para solos granulares N 10 COMPACIDADE < 1 Muito fofo < 7 Fofo < 83 Médio > 83 Compacto Fonte: Azevedo e Guimarães (2009) Tabela 7 Classificação a partir do número N 10 para solos coesivos, não saturados N 10 COMPACIDADE < 13 Muito Mole 3-6 Mole 6-12 Médio Rijo Muito Rijo > 45 Duro Fonte: Azevedo e Guimarães (2009) Para obtenção do atrito lateral e da resistência de ponta pode-se utilizar das equações 3.1 e 3.2 respectivamente, estas propostas por Nilsson (2002 apud MOTA, 2003). f s = M res / [(1/b)+(H/c)] (3.1)

57 56 Onde: f s = atrito lateral na ponteira (kpa) M res = momento residual de torque medido com torquímetro a cada metro h = altura da haste b = (depende do equipamento; 6000<b<12000) c = 1315 P f = a.k. (m 1.g.h/s).(m 1 +e².m 2 /m 1 +m 2 ) (3.2) Onde: P f = resistência de ponta m 1 = peso do martelo m 2 = peso das hastes, coxim e ponteira e = 0,70 (coeficiente de impacto) k = 0,8 (coeficiente geral) a = 1 (coeficiente de influência da água seco) h = 0,5 m (altura de queda do martelo) s = penetração por número de golpes (m/golpe)

58 57 4 Correlações Tendo em vista a grande utilização de ensaios do tipo SPT no Brasil e no mundo, é de extrema importância em um trabalho que aborde o ensaio DPL que aqui se apresentem correlações entre este e o ensaio de SPT. Assim como com ensaio SPT, as correlações entre DPL e o ensaio de cone (CPT) são de essencial relevância para este trabalho tendo em vista a semelhança entre estes apontada por diversos autores devido à energia transmitida ao solo. Assim sendo, são apresentadas a seguir as principais correlações, encontradas na literatura pesquisada, a cerca dos resultados obtidos através do ensaio DPL comparados aos resustados obtidos dos ensaios SPT e de cone (CPT). 4.1 Correlações entre DPL e SPT A princípio pode-se dizer que a primeira diferença existente entre o ensaio do tipo DPL e o ensaio SPT está na energia que é transmitida às hastes através do martelo de cravação. O equipamento do tipo DPL transmite ao solo uma energia de 50 J que é dez vezes maior que a energia transmitida no ensaio de SPT, esta sendo de 488 J. É por esse motivo, que muitos autores recomendam que se utilizem os resultados do ensaio DPL para correlação com o ensaio de cone CPT pelo fato deste também transmitir uma baixa energia ao solo (MASCHIO et al, 2008). Outra diferença apontada por Nilsson (2004a) está no fato de a ponteira de DPL possuir um comprimento de 100 mm e o barrilete (amostrador) do SPT possuir 457 mm. Com isso, a ponteira do DPL tem até 12 vezes menos contato com o solo se comparada como o barrilete utilizado no ensaio de SPT. Nilsson (2004a) também ressalta a limitação de profundidade a ser atingida pelo ensaio DPL, sendo esta de até 12m, tendo em vista a energia e equipamento utilizados, enquanto que o ensaio de SPT penetra mais profundo. Azevedo e Guimarães (2009) em estudos sobre a implantação de uma linha de transmissão entre os estados de Mato Grosso e Rondônia realizaram 10 investigações com

59 58 aparelho de SPT e ao mesmo tempo com o aparelho de DPL. Os resultados dessas investigações foram usados para a previsão da capacidade de carga do solo e para elaboração do projeto de fundações das torres de transmissão. A partir desses resultados foi feito um estudo com a aplicação de regressão linear simples sobre os números N 30 e N 10, chegando a relação da equação 4.1, apresentada a seguir: N 30 = 1,02N 10 2,11 (4.1) Azevedo e Guimarães (2009) alertam para o fato de esta correlação ser comprometida devido ao número de amostras que foi utilizada para sua obtenção e recomendam que seja feito um maior número de investigações obtendo-se assim um maior número de dados e consequentemente uma correlação mais confiável. Folque (1986 apud FILHO, 2010) apresenta uma correlação entre a resistência de ponta obtida no ensaio DPL e o SPT. Esta correlação está apresentada a equação 4.2. R p = K. N SPT (4.2) Onde os valores de K, conforme o tipo de granulometria do solo em estudo, estão representados na figura 28. O uso da equação 4.2 se faz útil, por exemplo, quando se desejar obter o número de SPT (N SPT ) para posteriormente se identificar as características geotécnicas do solo em estudo. Figura 31 Valores de K para a equação 4.2 Fonte: Filho (2010)

60 59 Filho (2010) propõe outras correlações a partir de ensaios realizados no estado de Minas Gerais obtidas por meio de média aritmética. Estas estão assim dispostas: - Resistência de ponta do ensaio DPL com N SPT : R P (Mpa) = 7,5. N SPT (4.3) - Número de golpes DPL e SPT: N 10 = 2,05. N SPT (4.4) Boszczowski et al. (2010) apresenta correlações obtidas a partir da análise da média do número de golpes N 10 obtidos a cada metro, a média dos valores N 10 obtidos na penetração dos 30 cm finais de cada haste e a soma dos valores de N 10 obtidos na penetração dos 30 cm finais de cada haste. Essas correlações estão apresentadas nas figuras 29, 30 e 31, respectivamente. Figura 32 Correlação obtida pela média de N 10 obtidos a cada metro Fonte: Boszczowski et al. (2010)

61 60 Figura 33 Correlação obtida a partir da média dos valores de N 10 na penetração dos 30 cm finais de cada haste Fonte: Boszczowski et al. (2010) Figura 34 Correlação obtida através da soma de N 30 para cravação dos 30 cm finais de cada haste Fonte: Boszczowski et al. (2010)

62 Correlações entre DPL e CPT Embora o ensaio de DPL seja dito de penetração dinâmica e o ensaio de cone (CPT) seja dito de penetração estática, estes possuem entre si semelhanças apontadas por diversos autores e a principal dessas semelhanças está relacionada com a energia transmitida ao solo quando da realização destes ensaios. Também, através da realização desses ensaios, podem-se medir as resistências de ponta das diversas camadas do subsolo que se está investigando. Nilsson (2004b) apresenta um gráfico com valores comparativos de resistência de ponta apresentadas pelo ensaio feito com DPL Nilsson (em vermelho) e com aparelho de CPT (U) (ensaio de cone com medição de poro-pressão, em azul). Este está apresentado na figura 32. Estes ensaios foram realizados na cidade de Campinas, no estado de São Paulo e os resultados demonstram as semelhanças entre os dois ensaios. Figura 35 Resistência de ponta dos ensaios DPL e CPT (u) Fonte: Nilsson (2004b) Canto et al. (2008), apresenta correlações estabelecidas entre os valores de resistência de ponta média (Q C ) obtida através do ensaio de CPT e valores de N 10 em solos das cidades de Curitiba, Guaíra e Cascavel, no estado do Paraná. Para estabelecimento dessas correlações foram utilizadas médias simples de valores de resistência de ponta do ensaio de cone (CPT),

63 62 ou seja, considerou-se a média de 5 segmentos de 2 cm o que totalizou os 10 cm de penetração do aparelho de DPL. As correlações obtidas estão dispostas nas figuras 33, 34 e 35. Figura 36 Correlação QC médio (CPT) com N 10 (DPL) para solo da região de Curitiba Fonte: Canto et al. (2008) Figura 37 Correlação QC médio (CPT) com N 10 (DPL) para solo da região de Cascavel Fonte: Canto et al. (2008)

64 63 Figura 38 - Correlação QC médio (CPT) com N 10 (DPL) para solo da região de Cascavel Fonte: Canto et al. (2008) A partir desse estudo, Canto et al. (2008) afirma que os dados analisados são considerados correlacionáveis quando o valor R 2 estiver o mais próximo de 1. Outro estudo semelhante apresentado por Martins e Miranda (2003) apresenta correlações obtidas pela análise de 507 casos de investigações em solos graníticos na região norte do país de Portugal. A figura 36 apresenta o gráfico de regressão linear entre a resistência de ponta medida no ensaio de cone (CPT) e o número N 10 do ensaio DPL gerado a partir dos casos analisados. Figura 39 Regressão linear entre Rp (CPT) e N DPL Fonte: Martins e Miranda (2003)