Estimativa de Parâmetros de Argilas Moles a partir dos Conceitos de Energia do Ensaio SPT

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1 Estimativa de Parâmetros de Argilas Moles a partir dos Conceitos de Energia do Ensaio SPT Bianca de Oliveira Lobo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, UFRGS, Porto Alegre/RS, Brasil. Julia Luiza Kroth Escola de Engenharia, UFRGS, Porto Alegre/RS, Brasil. RESUMO: Estudos recentemente realizados propõem uma interpretação racional do ensaio SPT, na qual é possível estimar a força dinâmica de reação do solo durante a cravação do amostrador SPT (Odebrecht, 2003). O conhecimento desta força abre uma gama de alternativas para a interpretação de ensaios SPT fundamentadas em análises racionais que podem substituir correlações de natureza essencialmente empíricas. Neste trabalho, será apresentada uma metodologia de estimativa de propriedades de solos moles. A fim de validar a proposta apresentam-se gráficos comparativos entre a resistência não-drenada estimada através da interpretação de energia do ensaio SPT e por ensaios CPT. Como conclusão percebe-se que a formulação consegue estimar de forma satisfatória propriedades de solos moles, inclusive de depósitos com N spt menores que 5 golpes. PALAVRAS-CHAVE: Propriedades de solos moles, Ensaio SPT, Medidas de energia. 1 INTRODUÇÃO A simplicidade e o baixo custo de execução aliados à experiência empírica acumulada tornam o ensaio SPT (Standard Penetration Test) a ferramenta de investigação geotécnica mais difundida no Brasil (Schnaid, 2000). Em contra-partida, existem severas críticas relacionadas à sua padronização como dispersão de resultados, dependência do operador e a diversidade de equipamentos e procedimentos utilizados na prática. Estudos recentemente realizados por Odebrecht (2003) e Odebrecht et al (2004(a) e 2004(b)) propõem uma interpretação racional do ensaio SPT, através de conceitos de energia, na qual é possível estimar a força de reação do solo durante a cravação do amostrador SPT. O conhecimento da força dinâmica F d abre uma gama de alternativas para a interpretação de ensaios SPT fundamentadas em análises racionais que podem substituir correlações de natureza essencialmente empíricas. Estudos realizados por Lobo (2005) e Lobo et al. (2006) estimaram a capacidade de carga de estacas, relacionando os mecanismos de mobilização de resistência do amostrador (modelo) com os mecanismos da estaca (protótipo). Outra proposta, de utilização da interpretação racional deste ensaio, é estimar parâmetros de resistência de solos, como resistência não drenada e ângulo de atrito (Odebrecht, 2003). Este trabalho consiste na apresentação de uma metodologia para a estimativa de propriedades de solos moles. A fim de validar a proposta, apresentam-se gráficos comparativos entre a resistência não-drenada estimada através da interpretação racional do ensaio SPT e por ensaios CPT (Cone Penetration Pest) de três sites homogêneos de argila mole. 2 ENSAIO SPT 2.1 Conceitos de Energia do Ensaio SPT Tradicionalmente têm-se relacionado empiricamente valores do índice de penetração (N spt ) com parâmetros de resistência de solos. Devido às incertezas inerentes às correlações de ordem empírica, Odebrecht (2003) propôs, em sua tese de doutorado, uma nova interpretação do ensaio SPT baseado nos conceitos de energia e trabalho. Nesta proposta analisa-se o ensaio em três instantes principais: 1. no instante t = 0: o martelo está posicionado a certa altura, logo o sistema possui uma energia potencial;

2 2. em t = t: o martelo é liberado e a sua energia potencial transforma-se em energia cinética e em perdas por atrito nas cordas e roldanas; 3. t = : o martelo atinge a extremidade superior da haste transformando a sua energia cinética em energia cinética e elástica, que percorre a haste na forma de uma onda longitudinal de compressão, em energia térmica, sonora e outras que são perdidas. Neste instante, o sistema haste-amostrador penetrou no solo ρ, adicionando ao sistema uma energia potencial. A Figura 1 ilustra este esquema. Equacionando a variação da energia potencial gravitacional ( EPG ) durante a cravação do amostrador SPT no solo, pode-se obter a equação 1: EPG = ( 0,75 + ρ) M g + M g ρ (1) m onde: ρ = penetração permanente do amostrador devido à aplicação de um golpe ( ρ= 0,3/N spt ); M m = massa do martelo; M h = massa da haste e g = aceleração da gravidade. h t1 = 0 Martelo = 65 kg t2 = t t3 = 0,75 2 g = 9,806 m/s Centro de massa da HASTE hh(t1) 0,75 Centro de massa do MARTELO hm(t1) Instrumentação Instrumentação Haste ρ ρ hm(t3) hh(t3) Instrumentação Amostrador Referência ρ Figura 1 Esquema de cravação do amostrador no solo (Odebrecht, 2003). Sabendo que neste processo existem perdas, devem ser inseridos coeficientes na equação 1: EPG = η 3[ η1(0,75 + ρ) M m g + η 2M h g ρ] (2) onde: η 1 = coeficiente de eficiência do martelo; η 2 = fator que representa as perdas ao longo das hastes e η 3 = fator que representa a eficiência do sistema. A fim de quantificar as perdas, Odebrecht (2003) instrumentou as hastes do amostrador SPT no topo e junto ao amostrador. Deste estudo Odebrecht (2003) obteve os seguintes valores de eficiência: η = 0, ; η = 1 e 2 η 3 = 0, l, onde l = comprimento de haste. Sabendo que variação de energia é trabalho e, trabalho é força multiplicada por um deslocamento ( E = W = F d ) pode-se estimar a força dinâmica (F d ) de reação do solo à cravação do amostrador SPT através da equação 3. η 3[ η1(0,75 + ρ) M m g + η 2 ρm h g] Fd = (3) ρ Considerando o amostrador SPT como uma estaca em escala reduzida, percebe-se que a força dinâmica de reação do solo é proveniente da soma das parcelas de atrito lateral e de ponta

3 mobilizadas durante a cravação, conforme a equação 4: F d Fd, L + Fd, p = (4) onde: F d,l = força dinâmica lateral mobilizada pelo amostrador e F d,p = força dinâmica de ponta mobilizada pelo amostrador. Objetivando quantificar as parcelas de atrito e ponta mobilizadas no amostrador SPT, Lobo (2005) adotou em sua Dissertação de Mestrado que, em solos moles o amostrador SPT penetra continuamente no solo mobilizando atrito lateral tanto nas faces externas quanto internas. Nestes solos, a área de ponta do amostrador se reduz à espessura de sua parede, não contribuindo de forma significativa na mobilização de resistência. Assim, é correto afirmar que toda a força dinâmica de reação do solo é proveniente de tensões cisalhantes, conforme expressa a equação 5. F d F d, L = (5) 3 ESTIMATIVA DE RESISTÊNCIA NÃO DRENADA (S u ) Considerando o amostrador SPT como uma estaca em escala reduzida, pode-se aplicar a teoria de expansão de cavidades proposta por Vésic (1972) para estimar a resistência estática (F e ) do solo à sua cravação. F e = N A S + γ LA ) + ( S α A ) (6) ( c b u b u l onde: N c = fator de capacidade de carga; A b = área da base; S u = resistência não-drenada; γ = peso específico do solo; α = coeficiente de adesão solo-amostrador e A l = área lateral. A hipótese adotada por Lobo (2005), anteriormente descrita, possibilita rearranjar os termos da equação 6 ( A b 0 ) de forma que a resistência não-drenada (S u ) possa ser estimada da seguinte forma: Sabendo que uma força dinâmica pode ser representada por uma força estática pelo coeficiente de redução 1 / ν, é possível estimar a resistência não drenada a partir de resultados de ensaios SPT, através da equação 8. S u (1/ ν ) Fd = α ( a + a l, ext l,int ) (8) 4 APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS Objetivando comprovar a validade das equações anteriormente apresentadas, estimouse a resistência não-drenada obtida a partir do ensaio SPT através da equação 8 e as comparou com valores de resistência não-drenada (S u ) estimada através de ensaios de CPT. Neste artigo serão apresentados os resultados obtidos de 3 sites de solos moles amplamente estudados, totalizando 10 perfis avaliados. Na equação 8, o coeficiente 1 / ν foi adotado como igual a 0,6 conforme sugerido por Odebrecht (2003) e o coeficiente de adesão solo-amostrador (α ) foi adotado igual à unidade, conforme sugerido por Odechecht (2003) para solos moles. 4.1 Site 1 Aeroporto Internacional Salgado Filho, POA/RS O perfil típico deste local é composto por uma espessa camada (8 m) de argila mole, com valores de N spt médio = 2, adjacente a um estrato arenoso. Neste local foram realizados 5 ensaios CPTU. Na Figura 2 é apresentado um perfil típico do local. Na Figura 3 são apresentados os gráficos comparativos entre as resistências não-drenadas (S u ). Observa-se nas figuras apresentadas uma boa concordância entre resultados do ensaio SPT e CPT. S u Fe = (7) α A l

4 Figura 2 Perfil típico Aeroporto Internacional Salgado Filho. 4.2 Site 2 VONPAR, POA/RS O perfil típico deste local é composto por uma camada de argila mole de aproximadamente 6 metros (N spt médio = 1), sobreposta a um estrato mais resistente. Neste site foram avaliados 4 perfis. A Figura 4 apresenta um perfil típico e na Figura 5 as comparações entre as resistências não-drenadas. Avaliando os perfis analisados percebe-se que a formulação adotada é capaz de capturar com razoável sensibilidade as diferenças entre estratos. Figura 4 Perfil típico VONPAR. 4.3 Site 3 Sarapuí/RJ O solo deste local é composto por uma camada de argila mole de aproximadamente 6 metros como N spt médio de zero, ou seja, o amostrador penetra devido ao peso próprio do equipamento. A seguir existe uma camada de argila mais resistente com N spt médio de 10. A Figura 6 apresenta o perfil típico e as comparações entre resistências não-drenadas. Percebe-se que a formulação consegue estimar de forma satisfatória propriedades de solos muito moles, como é o caso deste site SPT 13 CPT 01-1 SPT 15 CPT 02-1 SPT 22 CPT 03 SPT 21 CPT 04 SPT 20 CPT 05 Figura 3 - Gráficos comparativos entre as resistências não-drenadas estimadas através do ensaio SPT e obtidas pelo ensaio CPTU- Aeroporto Salgado Filho.

5 0 Su(kPa) profundidade (m) SPT 08 CPT 01 SPT 07 CPT 02-8 CPT 03 SPT 12 SPT 11 CPT 04(b) CPT 04(a) Figura 5- Gráficos comparativos entre as resistências não-drenadas estimadas através do ensaio SPT e obtidas pelo ensaio CPTU VONPAR. CPT SPT a) b) Figura 6 a) Perfil típico Sarapuí/RJ ; b) Gráfico comparativo entre resistências não-drenadas estimadas através do ensaio SPT e medidas pelo ensaio CPTU. 5 CONCLUSÕES Analisando os gráficos apresentados percebe-se que a formulação consegue estimar de forma satisfatória propriedades de solos moles, inclusive de depósitos com N spt menores que 5 golpes, uma vez que suas comparações com ensaios CPT apresentam boa concordância. Apesar da tradicional idéia de que o ensaio SPT não conseguir estimar parâmetros de solos moles, comprova-se neste trabalho que a interpretação racional do ensaio possibilita esta estimativa. Ë importante ressaltar que o bom uso desta teoria está fortemente relacionado com o mecanismo de mobilização de resistência do amostrador SPT. Em solos muito moles, como é o caso dos sites analisados neste trabalho, sabese que a resistência à cravação do amostrador se dá majoritariamente pela mobilização de tensões cisalhantes. Em solos muito resistentes percebe-se que o amostrador embuchará (ponta fechada), mobilizando dois mecanismos distintos de resistência: forças normais e forças cisalhantes. Nestes casos, a força dinâmica de reação do solo deve ser decomposta nas parcelas de atrito e ponta, que acaba dificultando a análise, ainda, devido à obscuridade da contribuição de cada parcela.

6 REFERÊNCIAS Lobo, B.O. (2005). Método de Previsão de Capacidade de Carga de Estacas: Aplicação dos Conceitos de Energia do Ensaio SPT, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Lobo, B.O.; Odebrecht, E.; Schnaid, F. e Rocha, M. M. (2006). Previsão de Capacidade de Carga de Estacas através dos Conceitos de Energia no SPT. GEOSUL 2006, Porto Alegre. Odebrecht, E. (2003). Medidas de energia no ensaio SPT, Tese de Doutorado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Odebrecht, E.; Rocha, M.M.; Schnaid, F. e Bernardes, G.P.(2004a). Transferência de Energia nos Ensaios SPT: Efeito do Comprimento de Hastes e da Magnitude de Deslocamentos, Solos e Rochas, São Paulo: ABMS/ABGE, Vol. 27, n 1, p Odebrecht, E.; Schnaid, F. e Bernardes, G.P.(2004b). Energy measurements for Standard penetration tests and effects of the length of rods, Proceedings ISC-2 on Geotechnical and Geophysical site Caracterization, Porto Anais, Vol. 2, p Schnaid (2000). Ensaios de Campo e suas aplicações na engenharia de fundações. Oficina de Textos p Vésic, A.S. (1972). Expansion of cavities in infinite soil mass, Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, Vol. 98, n SM 3.

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