INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO UTILIZANDO O CPT ELÉTRICO: APLICAÇÃO EM UM PERFIL DE SOLO TROPICAL ARENOSO

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1 XII COBRAMSEG INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO UTILIZANDO O CPT ELÉTRICO: APLICAÇÃO EM UM PERFIL DE SOLO TROPICAL ARENOSO Giulliana Mondelli 1 ; Marcelo Eduardo Moimaz Marques 2 ; Heraldo Luiz Giacheti 3 RESUMO Este trabalho apresenta resultados de ensaios com o cone elétrico utilizados para a investigação geotécnica de um perfil de solo tropical arenoso. Os ensaios com o cone elétrico foram realizados no Campo Experimental da Unesp de Bauru, aonde pesquisas vêm sendo feitas para previsão do comportamento de fundações em solos colapsíveis. Como esses foram ensaios pioneiros nessa área, procurou-se avaliar a metodologia tradicional de interpretação do mesmo a fim de adapta-la para que se tenha uma melhor caracterização de solos tropicais, a qual dependerá de amostragem do solo. Sugere-se, para isso, o uso de amostradores especiais que se adaptam à tecnologia do piezocone. ABSTRACT This paper presents electrical cone test results for site characterization of a tropical sandy soil. Electrical cone tests were carried out at the Unesp - Bauru experimental research site, where in situ and lab tests have been performed to study collapsing soil and how it affects the behavior of different types of foundation. Since these are the first tests carried out at this site, the traditional interpretation method for CPT was assessed. The methodology has to be adapted for tropical soils and, at the moment, the soil identification has to be confirmed using an appropriate soil sampler that can be easily incorporated to the piezocone technology. PALAVRAS-CHAVE Solos Tropicais, Investigação do Subsolo, CPT Elétrico. INTRODUÇÃO A elaboração de projetos geotécnicos exige um conhecimento adequado das características e das propriedades geotécnicas dos solos, as quais podem ser determinadas tanto através de ensaios de laboratório, como através de ensaios de campo. Os ensaios de penetração de cone (ou CPT: Cone Penetration Test) pertencem à família dos ensaios de campo, cuja utilização vem sendo cada vez mais difundida. A partir dos resultados desse ensaio, é possível identificar o perfil estratigráfico e estimar parâmetros geotécnicos utilizando correlações. Tanto o avanço da eletrônica como a rápida evolução da informática têm proporcionado equipamentos mais apropriados, menores, mais robustos e mais econômicos, permitindo o projeto e a construção de novas ferramentas mais adequadas para a obtenção de parâmetros dos solos as quais vem sendo incorporadas na rotina da investigação geotécnica. No Brasil, os ensaios de cone elétrico estão começando a ser utilizados na investigação de perfis de solos residuais e, assim procurou-se, neste trabalho, avaliar a metodologia tradicional de interpretação desse tipo de ensaio. No momento, recomenda-se, para identificação do perfil estratigráfico, a amostragem de solo utilizando amostradores especiais, em regiões do maciço onde se observa uma mudança nos valores de resistência de ponta e razão de atrito. Constatou-se que as correlações para a estimativa de parâmetros de projeto devem ser ajustadas e devem considerar tanto a textura, como as características genéticas dos solos. MATERIAIS E MÉTODOS Local Estudado O local estudado foi o Campo Experimental da Unesp de Bauru descrito por FERREIRA et al. (1996). O solo que ocorre nesse local é constituído por uma areia fina pouco argilosa, porosa, colapsível, cuja compacidade aumenta com a profundidade. Esta camada de areia fina, resultante da decomposição do Arenito Bauru, apresenta comportamento laterítico até cerca de 13 m de profundidade e não laterítico a partir daí. 1 Mestranda em Engenharia Industrial, Unesp, Bauru-SP, Av. Eng. Luiz E. C. Coube S/N, CEP: Mestrando em Engenharia Industrial, Unesp, Bauru-SP, Av. Eng. Luiz E. C. Coube S/N, CEP: Prof. Adjunto do Departamento de Engenharia Civil, Unesp, Bauru, SP Av. Eng. Luiz E. C. Coube S/N, CEP:

2 de Cone Elétrico (CPT) Os ensaios de cone elétrico foram realizados por duas campanhas de ensaios, 1 e 2, executadas no Campo Experimental da Unesp de Bauru, no decorrer do ano 2. Dessa forma, foram realizados dois ensaios CPT durante a Campanha 1 e três durante a Campanha 2. Os ensaios realizados na Campanha 2 utilizaram um penetrômetro multi-função, com capacidade de cravação igual a 2 toneladas. Este equipamento apresenta um recurso mecânico capaz de ancorá-lo ao solo por intermédio de um sistema de hastes helicoidais dispostas em sua base. O piezocone utilizado permitiu medir a resistência de ponta (q c ), o atrito lateral ( ) e a poro-pressão gerada na posição padrão (u 2 ). A partir dos valores de q c e, obteve-se a razão de atrito (R f ), dada pela seguinte equação: R f = ( / q c ).1% (1) A Campanha 1 utilizou, basicamente, um piezocone com as mesmas características do anterior, diferenciando-se apenas quanto ao emprego do sistema de cravação instalado sobre a plataforma da carroceria de um caminhão, onde o peso próprio do veículo forneceu a reação necessária à cravação do penetrometro no solo. Sondagem de Simples Reconhecimento com Medida de Torque (SPT-T) Os resultados das sondagens SPT-T realizadas no Campo Experimental da Unesp de Bauru também foram utilizados nesse trabalho para identificação do perfil estratigráfico e para estabelecer uma correlação entre o atrito lateral medido através da sondagem SPT-T ( ) e o atrito lateral medido através do ensaio CPT ( ). RESULTADOS Definição de Estratigráfico A partir dos resultados dos ensaios de CPT elétrico realizados no Campo Experimental de Bauru, foi possível identificar as camadas de solo do terreno. Estas características foram obtidas com o auxílio do ábaco proposto por ROBERTSON et al. (1986), apresentado na Figura 1, o qual relaciona a razão de atrito (R f ) versus a resistência de ponta do cone corrigida em função dos efeitos da poro-pressão (q t ). RESISTÊNCIA DE PONTA - q (MPa) t11 1 1,1 1 Dr St 12 OCR 4 e RAZÃO DE ATRITO, R f (%) q = q + u(1-a) T c SBT Tipo de Comportamento do Solo 1 Solos finos sensíveis 2 Solos orgânicos 3 Argila 4 Argila siltosa a argila Silte argiloso a argila siltosa 6 Silte arenoso a silte argiloso 7 Areia siltosa a silte arenoso 8 Areia a areia siltosa 9 Areia 1 Areia pedregulhosa a areia 11 Solo fino muito rijo 12 Areia a areia pedregulhosa Figura 1. Carta de classificação dos solos utilizando ensaios de cone elétrico (ROBERTSON et al., 1986). Na Figura 2 são apresentados os resultados de todos os ensaios de cone elétrico realizados em Bauru e, na Figura 3, são mostrados os valores mínimos, médios e máximos obtidos para a razão de atrito (R f ), resistência de ponta (q c ) e atrito lateral ( ) dos mesmos ensaios. Como o perfil desse solo é não-saturado até os 2 m de profundidade e pode-se assumir comportamento drenado para esse solo, admitiu-se q c igual a q t. Junto com estes gráficos tem-se também o perfil típico interpretado a partir dos resultados das sondagens com o cone elétrico e SPT-T. 2

3 R f (%) q c (MPa) (MPa) U 2 Granulometria (%) Estratigráfico Típico (SPT) 3 1 a. Camp. 2 a. Camp. 1 a. Camp. 2 a. Camp. 1 a. Camp. 2 a. Camp. 1 a. Camp. 2 a. Camp areia média Pouco Argilosa (Residual de Arenito) SM - SC 1 18 areia fina silte argila Argila Siltosa 21 Nível D'água = Não Encontrado Classificação Unificada Classificação MCT Pouco Argilosa Figura 2. Resultados de ensaios de cone elétrico realizados no Campo Experimental da Unesp em Bauru. R f (%) q c (MPa) (MPa) Interpretado Médio (CPTu) Camada Superficial Estratigráfico Típico (SPT) 3 min. med. max. min. med. max. min. med. max Areia Siltosa (SBT=7) Pouco Argilosa (Residual de Arenito) SM - SC Silte Argiloso (SBT=6) Limite da Sondagem Argila Siltosa Pouco Argilosa Nível D'água (SPT) = Não Encontrado Classificação Unificada Classificação MCT Figura 3. Valores mínimos, médios e máximos referentes a todos os ensaios de cone elétrico realizados no Campo Experimental da Unesp em Bauru. 3

4 Correlação entre e f S Os valores de atrito lateral medido no SPT-T ( ) e no CPT elétrico ( ) determinados em furos lado a lado no Campo Experimental de Bauru são apresentados nas Figuras 4 e. SPT-T SP-2 e CB 3 SP-3 e CPTU 1 SP.1, SP.1A e CA 1 Areia fina e média pouco argilosa, marrom avermelhada 1 Residual de Arenito fs 1 Argila siltosa 2 Figura 4. Comparação entre o atrito lateral obtido a partir de sondagens SPT-T ( ) e ensaios de CPT elétrico ( ) realizados no Campo Experimental da Unesp em Bauru. SP.2 e CB 2 SP.3 e CB 1 SP.4 e CPTU 2 SPT-T Areia fina e média pouco argilosa, marrom avermelhada 1 1 Residual de Arenito Argila siltosa 2 Figura. Comparação entre o atrito lateral obtido a partir de sondagens SPT-T ( ) e ensaios de CPT elétrico ( ) realizados no Campo Experimental da Unesp em Bauru. de Cone Mecânico Os resultados dos ensaios de CPT mecânico utilizando luva de Begemann são mostrados na Figura 6, juntamente com os resultados dos ensaios de CPT elétrico realizados. Têm-se também, nessa figura, os valores médios para facilitar a comparação entre esses dois tipos de ensaios. 4

5 R f (%) - Todos q c (MPa) - Todos (MPa) - Todos R f (%) - Média q c (MPa) - Média (MPa) - Média CPT Elétrico CPT Mecânico Figura 6. Comparação entre todos os ensaios realizados de CPT mecânico e CPT elétrico, e suas respectivas médias para o Campo Experimental de Bauru. Estimativa de parâmetros geotécnicos a partir dos resultados dos ensaios CPT Para possibilitar uma avaliação preliminar da metodologia tradicional para a identificação de perfil estratigráfico e estimativa de parâmetros geotécnicos dos solos a partir de fórmulas clássicas da literatura, optou-se em utilizar o software.2, elaborado por CAMPANELLA (1998). Tais resultados foram comparados com os resultados de ensaios de campo e de laboratório que possibilitaram determinar o peso específico natural do solo (Gamma), o ângulo de atrito interno (Phi), o módulo de cisalhamento máximo (Gmax), a porcentagem de finos (FC) e o número de golpes do ensaio SPT para uma eficiência de 6% (N 6 ). Esses resultados são apresentados nas Figuras 7 e 8. Interpretado Gamma (KN/m3) FC (%) Phi (graus) Camada Superf. Compactada 1 Argilosa (Residual de Arenito) 1 Argila Siltosa 2 Areia Argilosa Figura 7. Comparação entre o peso específico natural do solo, porcentagem de finos e ângulo de atrito interno obtidos para o Campo Experimental da Unesp em Bauru.

6 Interpretado SPT N6 (todos) SPT N6 (médias) Gmáx (todos) (MPa) Gmáx (média) (MPa) Camada Superf. Compactada 1 Argilosa (Residual de Arenito) 1 Argila Siltosa 2 Areia Argilosa Figura 8. Comparação entre o índice N 6 (valor do número de golpes do SPT corrigido para a energia de 6%) e Gmax obtidos para o Campo Experimental da Unesp em Bauru. ANÁLISE DOS RESULTADOS Identificação do perfil estratigráfico a partir dos ensaios CPT e SPT-T Analisando-se as Figuras 2 e 3, nota-se que o perfil estratigráfico obtido a partir de ensaios SPT-T são mais coerentes com a textura do solo identificada a partir de amostras coletadas em poços exploratórios e ensaiadas no laboratório. Os resultados desses ensaios mostram que o terreno é constituído de uma camada de areia fina argilosa (Residual do Grupo Bauru) até aproximadamente 17 m de profundidade, seguida de uma camada de argila siltosa até próximo aos 18 m, e a partir daí, a camada de areia continua. Já, a utilização do ábaco de ROBERTSON et al. (1986) identificaram a ocorrência de um solo do tipo 7 (areia siltosa) até cerca de 16,7 m de profundidade, seguida de uma camada de silte argiloso (SBT = 6) com cerca de 3 m de espessura. Correlação entre e f S Com os valores mostrados nas Figuras 4 e, plotou-se um novo gráfico relacionando versus (Figura 9) e, para tal, separou-se os horizontes de solo de comportamento laterítico e não laterítico. Observa-se, nesta figura, que existem diferentes tendências para cada camada, sendo, portanto, recomendado utilizar correlações distintas para cada uma delas, considerando assim a gênese do solo. Comparação entre os resultados de ensaios realizados com o CPT mecânico e com o CPT elétrico Através da Figura 6, pode-se observar uma coerência entre os resultados obtidos com o que se encontra registrado na literatura. As diferenças nos valores de q c podem ser explicadas pela margem de erro nas medidas com o cone mecânico e pela maior sensibilidade do cone elétrico para detectar camadas de pequena espessura. Já, em relação a, como já era esperado, os valores medidos no cone mecânico mostraram-se sempre superiores ao elétrico, com exceção do trecho que varia entre 12. a 13. m. Discussão dos parâmetros geotécnicos estimados a partir dos resultados dos ensaios CPT Na Figura 7 observa-se que o valor do peso específico (Gamma) resultou em um valor médio próximo a 18 kn/m 3, sendo praticamente constante com a profundidade. A estimativa obtida para FC levou a uma porcentagem de finos praticamente crescente com a profundidade, iniciando com um valor igual a 1 % e chegando-se a um valor da ordem de 7 %, exatamente na profundidade onde tem-se uma camada de argila siltosa. Os valores estimados para φ foram coerentes com aqueles determinados a partir de ensaios de cisalhamento direto em laboratório. 6

7 Observa-se, na Figura 8, uma grande dispersão tanto para os valores de N 6 determinados no SPT como para aqueles estimados a partir de dados de CPT. Quando se analisam os valores médios observa-se que N 6 estimados a partir dos resultados do CPT são pouco superiores aos determinados no SPT na camada de comportamento laterítico. Quanto a estimativa de Gmax (Figura 8), nota-se que a proposta de Robertson resultou em um valor cerca da metade do valor de Gmax obtido a partir de ensaios cross-hole, se aproximando um pouco mais apenas abaixo dos 13 m, na camada de solo de comportamento não-laterítico. 4 SP-2 x CB 3 SP.1 x CA 1 SP.1A x CA 1 SP.2 x CB 2 = Figura 9. Atrito lateral do SPT-T ( ) versus atrito lateral do CPT elétrico ( ) para o Campo Experimental de Bauru. CONCLUSÃO A proposta de classificação dos solos utilizando o ábaco de ROBERTSON et al. (1986) é a de identificar o solo quanto ao seu comportamento e não quanto a sua textura. Desta forma, pode-se considerar que os resultados obtidos pela utilização dessa proposta foram razoáveis para o solo desse local. Mesmo assim, acredita-se que uma adaptação no ábaco faz-se necessária, para que o mesmo possa contemplar solos tropicais. Para tanto é necessária uma maior quantidade de dados que incluam solos com gênese e textura distintas. Enquanto essas informações não estiverem disponíveis recomenda-se a utilização de amostradores especiais de solo, que se adaptam aos equipamentos do CPT, como por exemplo, o amostrador de solo da Geoprobe, para uma identificação adequada do perfil estratigráfico. Verificou-se que os resultados dos ensaios CPT permitiram identificar os horizontes de solos com comportamento distintos (laterítico e não laterítico) uma vez que a razão de atrito apresentou valores distintos e mais variáveis a partir dos 13 m de profundidade. Isto indica que essa técnica apresenta potencial para ser empregada na caracterização e previsão do comportamento desse tipo de solo. Quando se comparou o obtido pelo cone elétrico com o obtido através do torque do SPT-T, pôde-se observar que para a camada porosa de comportamento laterítico, a maioria dos valores de são menores do que os valores encontrados para. Uma possível explicação para este fato deve-se a uma grande alteração na estrutura do solo durante a penetração dinâmica do amostrador no ensaio SPT-T, ao passo que, durante a penetração quase-estática do cone, esta alteração é menor. A dispersão observada no gráfico de versus f S foi grande, fato este que deve estar associado a variabilidade do solo local. Quando se comparou resultados de ensaios de cone mecânico e cone elétrico, os valores de q c podem ser considerados os mesmos para os dois ensaios. Já, os valores de medidos pelo cone elétrico são cerca da metade daqueles medidos com o cone mecânico. Este fato pode ser explicado pela resistência extra observada no bordo inferior da luva de atrito do cone de Begemann, aspecto já constatado por outros autores. O emprego do software.2 (CAMPANELLA, 1998), desenvolvido para facilitar a interpretação de resultados de ensaios CPTu, foi utilizado para avaliar a aplicabilidade de métodos tradicionais para identificação de perfil estratigráfico e estimativa de parâmetros de projeto. A comparação com resultados de ensaios de campo e laboratório, realizados nesse campo experimental demonstrou algumas limitações dessa proposta quando empregada para esse solo. A estimativa do peso específico natural (γ nat ), porcentagem de partículas que passam na peneira 2 (FC), ângulo de atrito interno (φ) e N 6 do SPT foram melhores do que a estimativa do módulo de cisalhamento à baixa 7

8 amplitude (G max ). Os valores de G max obtidos em ensaios cross-hole foram superiores àqueles estimados a partir de resultados de CPT no horizonte de comportamento laterítico e inferiores ou muito próximos daqueles determinados nas camadas de comportamento não laterítico. Essa elevada rigidez à baixa amplitude de G max foi atribuída à cimentação provocada por óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio originados pelo processo de laterização. Esse fato ressalta a importância, em solo tropicais, de se identificar, além da textura, as características genéticas do solo, quando se pretende definir parâmetros de projeto. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao apoio financeiro recebido pela FAPESP para realização de suas pesquisas. Agradecem ainda a Solum Engenharia e Geologia Ltda e a ARSOLO geotécnicos Ltda. por terem realizado os ensaios de cone elétrico. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CAMPANELLA & RESEARCH STUDENTS. Interpretation of Piezocone Test Data for Geotechnical Design. Soil Mechanics Series No. 17, 2 volumes. Department of Civil Engineering, University of British Columbia, Vancouver/BC, Canada, Sept/199. CAMPANELLA, R. G..2: Piezocone Interpretation Software for the IBM-PC. V6T 1Z4. Department of Civil Engineering, University of British Columbia, Vancouver/BC, Canada, FERREIRA, LOBO, GIACHETI, AGNELLI, ALBIERO & KATSUTANI. Campo Experimental de Fundações em Bauru. In: 3o. Seminário de Engenharia de Fundações Especiais e Geotecnia (SEFE III), V.2, 1996, São Paulo/SP, p GIACHETI, H. L. Estudo Experimental de Parâmetros Dinâmicos de Alguns Solos Tropicais do Estado de São Paulo. São Carlos/SP, p. Tese (Doutorado) - EESC-USP. GONÇALVES, R. SPT-T em Solos Tropicais: Um Estudo da Relação T/N e a Gênese do Solo. Bauru/SP, 21. Relatório de Pesquisa, Iniciação Científica - FAPESP. LUNNE, T. ROBERTSON, P.K. & POWELL, J. Cone Penetration Test in Geotechnical Practice. London, England: Blackie Academic & Professional, p. MEIGH, A.C. Cone Penetration Testing: Methods and Interpretation. London, England: Ciria ground engineering report: In-situ testing, Butterworths, PEIXOTO, A. S. P. Obtenção de Parâmetros Geotécnicos de Alguns Solos Tropicais e Determinação da Capacidade de Carga de Estacas Nestes Solos Através do Ensaio SPT-T. Campinas/SP, 21. Tese (Doutorado) - Feagri, Unicamp. QUARESMA, A. R.; DÉCOURT, L.; QUARESMA FILHO, A. R.; ALMEIDA, M. S. S. & DANZIGER, F. Investigações geotécnicas, In: Fundações - Teoria e Prática, 2 a. edição, São Paulo, Editora Pini, Cap. 3, pp ,