PENETRÔMETROS DINÂMICOS EM PROJETOS RODOVIÁRIOS

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1 PENETRÔMETROS DINÂMICOS EM PROJETOS RODOVIÁRIOS Thomas Ulf Nilsson Thomas Nilsson Engenharia Ltda. Salto/ SP RESUMO: Os projetos de rodovias requerem investigações que podem chegar até locais de difícil acesso. Os penetrômetros dinâmicos são equipamentos de ensaios geotécnicos úteis para caracterização estratigráfica, determinação do nível de água e da resistência do solo. São úteis desde a definição detalhada do traçado geométrico até o controle tecnológico do subleito do projeto da pavimentação. Fornecem ao projeto de terraplenagem a informação que possibilita dimensionar altura e inclinação de taludes de corte e de aterro. Os projetos de terraplenagem e de pavimentação, inclusive o dimensionamento de fundações, podem ser bem atendidos por diversos tipos de penetrômetros. ABSTRACT: The highway design require field operations, sometimes by certain complexity as team and equipment must be able to get to locals with poor access. The dynamic penetration apparatus are geotechnical test equipments, useful to characterize the soil layers, groundwater level and soil resistance. The dynamic probe test can be useful on a multiple range, from the early design to the compaction control of the sub-grade in the pavement project. Dimensioning of earth works as excavations and embankments, especially the slope design, is supplied with information carried out by dynamic probes as well as pavement projects and foundation calculus. 1

2 1 - INTRODUÇÃO A obra rodoviária é linearmente extensa e pode atravessar diferentes tipos de áreas, onde estão presentes lotes com características variadas. O estudo de áreas tão diferentes indica a necessidade da realização de ensaios e consequentemente relatórios demonstrativos das características de solos encontrados. De modo a minimizar custos, o reconhecimento geotécnico da região é fator relevante na projeção de obras afinadas com a melhor técnica e economicamente viáveis. Com a meta de dinamizar os trabalhos de campo o profissional tem como objetivo principal a escolha de métodos práticos e rápidos para determinação de resultados confiáveis. O uso de penetrômetros pode favorecer a dinâmica da definição estratigráfica dos solos, a determinação do nível do lençol freático, a avaliação das resistências de ponta e atrito lateral, além de serem equipamentos de fácil transporte, operação, locação e aquisição. 2 NECESSIDADES DE ESTUDOS GEOTÉCNICOS PARA ATENDER PROJETOS RODOVIÀRIOS 2.1 Projetos Geométricos O Projeto geométrico desenvolve-se em três fases; planimétrica, altimétrica e seções transversais. O projeto planimétrico considera segurança, desapropriações e topografia conforme o plano adotado do traçado. O estudo geotécnico alerta sobre condições inapropriadas, onde deve considerar mudança de traçado, como solos moles, geração de taludes íngremes e materiais da 3ª categoria. O projeto altimétrico considera segurança e movimento dos materiais na terraplanagem, desta forma é de importância econômica investir em sondagens e ensaios geotécnicos. 2.2 Projeto de Terraplenagem O projeto de terraplenagem será desenvolvido com base nas informações e dados obtidos através dos estudos geotécnicos, topográficos, geométricos e hidrológicos. O processo iniciará com o lançamento dos furos de sondagem no perfil longitudinal, com a respectiva classificação. Serão apresentadas as seções típicas dos taludes em solo, seção típica de corte para talude em rocha, bermas e soluções especiais para aterros, estabilização de subleito Configuração de Taludes. O processo de cálculo de estabilidade do talude precisa ser abastecido por parâmetros como; peso do solo, coesão e ângulo de atrito. É difícil instalar equipamentos convencionais em taludes e as vezes, sondagens nem são solicitadas, ou são feitas poucas em relação à heterogeneidade do solo do local. O solo dos taludes acostuma ser, bastante heterogêneo. O cálculo da estabilidade está garantido, no melhor caso, por parâmetros obtidos em retro-análise, ou no pior caso, por parâmetros adotados Aterros sobre solos moles. Quando possível, o projeto deverá evitar, ou, contornar várzeas e brejos, locais que costumam apresentar baixo suporte do solo. Caso não possível, o projeto de terraplenagem deverá ampliar os estudos geotécnicos nos solos moles que a rodovia tem que ultrapassar. As sondagens deverão definir a estratigrafia e o nível de água. A espessura do solo mole será desenhada no mesmo perfil longitudinal onde consta o greide da rodovia. Não basta apenas quantificar, é também necessário apresentar valores qualitativos do solo mole, portanto, é sempre necessário prosseguir com ensaios geotécnicos. O dimensionamento do aterro sobre o solo mole pode exigir parâmetros que define a compressibilidade do solo em função de tempo e de carga. 2

3 Adensamento, com ou sem sobrecarga, com ou sem drenos verticais, exigem parâmetros que entreoutros podem ser fornecidos por ensaios de CPT(u),(Cone Penetration Test, undrained), onde um dos parâmetros mais interessantes é a poropressão. Ensaios de penetrômetros dinâmicos com torquímetro conseguem fornecer atrito lateral, cuja importância além da solução mencionada de adensamento, é importante em outras soluções como reforço do subleito por compaction grouting, produtos químicos estabilizantes, eletro-osmose, onde o solo está sendo ensaiado antes e depois o tratamento, assim conseguindo pôr o melhoramento em valores numéricos Controle tecnológico. As notas técnicas do projeto deverão especificar os procedimentos que viabilizam a execução e controle da compactação bem sucedida sob umidade ótima. O material para aterros deve ser ensaiado direto na fonte em jazidas e caixas de empréstimo. Para ser viável proceder uma quantidade significante de ensaios para controle, é importante ter acesso a métodos e equipamentos que representam boa economia e agilidade Projeto de Pavimentação O pavimento sendo aplicado acima do subleito acompanha o comportamento mecânico do solo in situ. Desta forma, o ensaio deve fornecer uma curva tensão/deflexão até a tensão máxima do projeto, mas também, a deterioração do material sujeito a fadiga deverá ser ensaiado com ensaio tri-axial dinâmica para obter a formulação matemática da redução do módulo de elasticidade. Para obedecer às leis estatísticas, muitos ensaios deverão ser feitos no próprio local. Os ensaios empregados para obtenção de uma curva de tensão/deformação (ou deflexão) e consequentemente um módulo de elasticidade devem ser aqueles que mais se aproximam do comportamento funcional do pavimento, o que hoje pode ser atendido por 2 ensaios, um in situ e um de laboratório, hoje atendido por ensaio de placa e ensaio dinâmico tri-axial. 2.4 OAE (Obras de artes especiais) e Obras complementares São obras que necessitam fundações, geralmente profundas, portanto precisam ter ensaios confiáveis que fornecem valores de atrito lateral e resistência da ponta que as estacas devem encontrar como suporte através do solo. 3 PENETRÔMETROS DINÂMICOS 3.1 DPL Descrição do equipamento O DPL NILSSON (Dynamic Probing Light,tipo NILSSON) é um equipamento portátil de cravação dinâmica e ensaio de torque, que pode ser operado por 2 pessoas. Uma ponteira de diâmetro 35,7 mm e comprimento de 100 mm, com ângulo da ponta de 90º, acoplado por hastes de 22 mm de diâmetro está sendo cravada através de um martelo de 10 kg, que sobe e desce 50 cm em volta de uma guia, em caída livre ao batente conectado à última haste. As características geométricas e o peso do conjunto das hastes, martelo, batente e ponteira são especificados por normas, entre outras a norma alemã DIN 4094 (Deutsche Industrienorm 4094). Para melhor manter o equipamento em prumo existe uma plataforma niveladora. A versatilidade do DPL possibilita fazer uma grande quantidade de furos em pouco tempo. A instalação de um novo furo é extremamente fácil (Nilsson T) Execução Os ensaios deverão ser iniciados por um pré-furo de diâmetro15 cm a uma profundidade de 30 cm. É inserida uma haste, com a ponteira montada, na plataforma niveladora, colocando logo em seguida este conjunto no furo, com a ponteira direcionada em prumo vertical ao solo. Após o 3

4 0 posicionamento adequado de uma haste com a ponteira montada, a plataforma e a haste são niveladas. Com a ajuda de dois operários, parte-se para a execução, parafusando o conjunto batente/guia na haste. O martelo é inserido na guia e encostado no coxim. O martelo é levantado e deixado cair livremente 50 cm, esse procedimento é repetido enquanto as hastes descem, até que a parte inferior do batente esteja a 10 cm da plataforma niveladora cilíndrica. A quantidade de golpes necessária para a penetração de cada 10 cm de haste, N 10, é registrada na planilha de campo. Uma vez, a cada metro, o ensaio de torquímetro é feito Resultado O boletim de ensaio apresenta, tabelado e em gráfico, os números de golpes, N 10, para descer 10 cm em seqüência e os momentos de torque máximos e residuais. Em dois outros gráficos constam os valores, q d, a resistência da ponta e f s, o atrito lateral. Finalmente, há uma classificação do solo. Pelo gráfico, pelo quociente f máx /q, identifica-se facilmente o comportamento do solo, onde será deduzida uma aproximação boa a estratigrafia. Na retirada das hastes identifica-se o nível de água. Não usando água no procedimento de sondagem garante que seu eventual aparecimento identifica a posição imediata da água do lençol freático. CLIENTE: xxx CONT: 193/02 REG: LOCAL: R. Humberto de Campos/ R Rolf Gugisch DATA: 01/12/02 CONE : POSIÇÃO: Conforme croquis COTA: Nível de água: 4,10 z (m) N10 qd z (m) N10 qd z (m) N10 qd 0,1 h 5,1 6 h 10,1 25 h 0,2 f/qd 5,2 6 f/qd 10,2 23 f/qd 0,3 5,3 9 10,3 24 0,4 5,4 8 10,4 22 0,5 1 5,5 8 10,5 24 0,6 2 5,6 9 10,6 28 0,7 1 5,7 9 10,7 23 0,8 2 5,8 9 10,8 23 0,9 2 5, , , , ,47 M(máx) 2,0 0,01 M(máx) 12,0 0,12 M(máx) 26,0 0,32 M(res) 0,5 3% M(res) 8,0 6% M(res) 16,0 4% 1,1 2 6, ,1 34 1,2 6 6, ,2 30 1,3 4 6, ,3 37 1,4 4 6, ,4 39 1,5 2 6, ,5 26 1,6 2 6, ,6 24 1,7 1 6, ,7 42 1,8 2 6, ,8 37 1,9 4 6, , , , ,51 M(máx) 4,0 0,02 M(máx) 16,0 0,17 M(máx) 28,0 0,37 M(res) 1,0 3% M(res) 10,0 3% M(res) 26,0 3% 2,1 5 7, ,1 2,2 7 7, ,2 2,3 7 7, ,3 2,4 8 7, ,4 2,5 9 7, ,5 2,6 10 7, ,6 2,7 2 7, ,7 2,8 4 7, ,8 2,9 5 7, , , , ,00 M(máx) 8,0 0,03 M(máx) 11,0 0,22 M(máx) 0,37 M(res) 4,0 4% M(res) 6,0 2% M(res) #DIV/0! ENSAIO DE PENETRAÇÃO COM DPL NILSSON P 6 R O 7 F (m) N 10 F1 10 cm² ,1 3 8, ,1 3,2 3 8, ,2 3,3 5 8, ,3 3,4 2 8, ,4 3,5 2 8, ,5 3,6 3 8, ,6 3,7 6 8, ,7 3,8 6 8, ,8 3,9 3 8, , , , ,00 M(máx) 7,0 0,06 M(máx) 14,0 0,27 M(máx) 0,37 M(res) 4,0 9% M(res) 12,0 3% M(res) #DIV/0! f - Atrito lateral, kpa qd - Res. de ponta, MPa ,1 3 9, ,1 4,2 3 9, ,2 4,3 4 9, ,3 4,4 3 9, ,4 4,5 3 9, ,5 4,6 4 9, ,6 4,7 4 9, ,7 4,8 6 9, ,8 4,9 6 9, , , , ,00 M(máx) 9,0 0,09 M(máx) 12,0 0,32 M(máx) 0,37 M(res) 6,0 10% M(res) 10,0 2% M(res) #DIV/0! PROF. (m) DESCRIÇÃO TACTIL VISUAL DE CAMPO h 0,00 3,00 Argila siltosa amarela 1% 3,00-4,00 Argila siltosa amarela / 4,00-6,00 Argila siltosa variegada 3,00 6,00 3% Argila siltosa variegada 6,00 9,00 5% Argila siltosa amarela 9,00 12,00 5% 12,00 15,00 LEGENDA: z = profundidade (m) N 10 = golpes necessários para cravação de 10 cm h = hastes em pleno contato c/ o solo (m) M(res) = Momento de torque residual (Nm) qd = Resistência da ponteira (MPa) M(max) = Momento de torque máximo (Nm) Fig. 1: Boletim de ensaio por penetração com DPL NILSSON. 4

5 3.2 DCP Descrição do equipamento O DCP, Dynamic Cone Penetrometer, também chamado Cone Sul Africano, é projetado para ensaios em camadas de pavimento, para uso de profundidade máxima até 1600 mm. No ensaio padrão TRL (autoridade britânica), o ensaio é feito até 700 mm. A resistência do solo e a área de uso restrita ao pavimento são os principais limitadores. A parte dianteira do equipamento avança através o cone de 20 mm com ângulo 60º, maior em diâmetro do que as hastes, para garantir que os valores da resistência do ensaio sejam unicamente determinados pela ponteira. A energia de cravação é abastecida por martelo peças de 4,6kg (simples) ou completado com mais 3,4kg (duplo) levado a caída livre. Manualmente erguido a 575 mm acima do batente e livremente soltado. Geralmente usa-se o conjunto duplo em subleitos de resistência média a rija (Ireland, H.O) (Costa Jr.,H. & Montanhini, L.R.A) Execução O martelo é erguido 575 mm e soltado repetidamente enquanto as hastes descem. Na planilha de campo é anotada a quantidade de golpes N 25 necessários para a penetração da haste em segmento de 25 mm. A velocidade dos golpes não deve ultrapassar 30 golpes por minuto, nem deve ser menos que 5 golpes por minuto Resultado DPI, em alguns literaturas definido como DN, é a sigla para Dynamic Penetration Índex, o Índice de Penetração. É a distância que a ponteira desce por golpe, (mm/golpe). 5

6 Fig. 2 - Boletim de ensaio de cone de penetração dinâmica DCP. 3.3 Outros penetrômetros dinâmicos Existem, com o mesmo design da ponteira, mas em maior escala e com maior energia de cravação, os ensaios DPM, DPH, e DPSH (Dynamic Probing Medium, Heavy e Super Heavy). Eles têm maior peso e necessitam ser mecanizados para efetuar a execução (Cestari F). O uso no Brasil é até agora muito pouco. Eventualmente, poderão ganhar espaço em projetos de fundação profunda e investigação geotécnica de cortes mais profundos que 12m. 6

7 3.4 Penetrômetros estáticos O presente trabalho trata de penetrômetros dinâmicos, mas é importante ao menos comentar sobre uma outra linha de equipamentos. Os penetrômetros estáticos, CPT, CPT(u), Cone Penetration Test, Deep Sounding no caso do complementar u ( undrained, não drenado) com possibilidade de medir a poropressão, são ensaios que já existem no pais há longa data e até serviram para elaborar métodos de dimensionamento de fundação profunda (Decourt, Quaresma). Em termos de capacidade de fornecimento de parâmetros úteis e de qualidade e controle automatizado, são entre os melhores que o mercado pode fornecer. Infelizmente, não ganharam a popularidade que merecem, por motivos que são mais culturais e sociais do que econômicos ou técnicos. Com as fortes mudanças sócio-econômicas do país, é possível que o mercado logo solicite uma presença forte destes métodos mais sofisticados. 4 UTILIZAÇÕES DE PENETRÔMETROS NOS ESTUDOS PARA PROJETOS EM RODOVIAS Na etapa do projeto básico, quando ainda não está determinado o traçado, critérios importantes para poder fornecer estudos que servem como base de decisão, são acessibilidade nestes locais, frequentemente com mata virgem, e possibilidade de se fazer a maior quantidade de sondagens no menor tempo possível, garantindo ainda, uma boa qualidade da investigação. Os projetos de terraplenagem trabalham com corte e aterros e definição de inclinação de taludes e suporte de aterros sobre solos moles. Nestes casos, a resistência ao cisalhamento é fundamental conhecer. Entre a ponteira do DPL e o solo, o atrito lateral é obtido através giro lento por torquímetro. O atrito lateral entre a ponteira metálica e o solo é menor que a resistência ao cisalhamento do solo. O valor f (atrito lateral entre solo e ponteira) satisfaz com segurança o valor de resistência ao cisalhamento do solo. Assim, valores conservadores para coesão e ângulo de atrito poderão ser obtidos. Pesquisas recentes estudam a diferença de performance entre ponteiras de aço e ponteiras de concreto. O resultado obtido para o atrito lateral parece, além do solo, depender da escolha do material da ponteira. As peças de aço nos equipamentos de sondagem oferecem menor atrito, comparadas com peças de concreto. Se o solo é composto por mais que 40% de argila, pode ser considerado coesivo, c > f. Se há mais que 75% de areia, o solo é granular com o ângulo de atrito dominante. Se o solo é saturado, coesão e principalmente ângulo de atrito diminuem consideravelmente. Pode-se utilizar a fórmula do Mohr para determinar o ângulo de atrito e respectivamente a coesão, senão, entrar nos cálculos diretamente com o valor da resistência ao cisalhamento. Durante a cravação, o DPL detecta a alteração de resistência entre camadas, que junto com a interpretação da estratigrafia fornece uma idéia do peso do solo. Salienta-se que o lençol freático é detectado sem interferências do procedimento, pois a cravação do DPL não faz uso de água (Nilsson T). Em projetos de pavimentação, na prática, orçamento e prazo obriga o mercado aceitar aproximações. Nos modelos mais simples, o material está considerado linear-elástico, e o módulo de elasticidade é estimado através um ensaio que fornece um valor absoluto, muitas vezes obtido de correlações ou empirismo. O ensaio de CBR, (California Bearing Ratio), um ensaio de puncionamento, é além do que aceite, até consagrado. O puncionamento é efetuado mediante um pistão rijo de 2 (50,8 mm) que atua sobre a amostra confinada em um cilindro com diâmetro de 150 mm e altura de 175 mm. A distribuição das tensões do pistão sobre a amostra gera uma curva de tensões com grandes diferenças, operando na periferia da base do pistão tensões superiores às do centro da amostra. Do aspecto técnico, caso é aceite um ensaio como CBR, porque não aceitar DCP? Ou Panda, Soil Stiffness Gauge, Clegg Hammer ou DPL? Do aspecto comercial, não haverá dúvidas que o DCP está uma opção interessante. Um ensaio de CBR exige todos os cuidados de retirada de amostra, transporte para laboratório, procedimentos de manipulação e compactação, que leva a um tempo de ao menos 5 dias para conseguir um resultado. Observar que DCP está portátil e já fornece o resultado em 10 minutos. 7

8 5 - CONCLUSÕES Para obras de maior porte, é importante poder ampliar a opção de ensaios. Quando utiliza SPT no dimensionamento pode mesmo verificar as correlações entre DPL e SPT (Nilsson T, Comparações entre DPL NILSSON e SPT). Observe-se que é possível, mas não necessário fazer a transformação de DPL a SPT. Procedimento similar e observação paralela valem para a relação entre o ensaio CBR e o ensaio DCP. Os penetrômetros dinâmicos portáteis são ágeis e práticos em projetos rodoviários. Existem no país há várias décadas, há uma experiência documentada e cada dia estão entrando em novos projetos. Os projetos de terraplenagem, pavimentação e fundação são bem atendidos por penetrômetros. Entre os dois tipos de penetrômetros dinâmicos que o artigo descreve, DPL e DCP, o DPL NILSSON é um equipamento de ensaio para penetração do solo, habilitado a fornecer os parâmetros de resistência da ponta e atrito lateral, estratigrafia e nível de água.pode ser levado a locais de acesso extremamente difícil e atinge a profundidade de 12 m. Tem alta produtividade, sendo uma média de 50 m por dia e por equipamento. Pode ser transportado por veículo de passeio. É um equipamento ecologicamente amigável, pois durante a operação não usa combustível ou eletricidade e não emite nenhum tipo de poluente. O menor penetrômetro de todos, o DCP, atende muito bem projetos de pavimentação e controle tecnológico de terraplenagem. Todos os métodos aqui apresentados têm uma vasta experiência internacional e são padronizadas por normas nacionais e internacionais, a destacar a Norma alemã DIN e a Norma inglesa TRL. Os ensaios geotécnicos por penetrômetros dinâmicos poderão ser utilizados em outros tipos de obras lineares além de rodovias, como ferrovias, dutos e linhas de transmissão. REFERÊNCIAS Cestari F (1990) Prove Geotecniche In Sito. Geo-Graph S.N.C. I Edizione.(Italia) Cunha, R, Nilsson. T. (2004) Advantages and equations for pile design in Brazil via DPL tests, ICS 2004, Port Cestari F (1990) o/ Portugal, de Setembro de 2004, 7p. Décourt, L., Quaresma A.R.(1978) Capacidade de carga de estacas a partir de valores de SPT. In: Cobramseg 6., Rio de Janeiro. Anais. Rio de Janeiro 10p. DIN Taschenbuch.(1991) Erkundung und Untersuchung des Baugrunds. Beuth Ireland, H.O., Moretto, O and Vargas. M. The Dynamic Penetration Test: A Standard that is not standardized. Geotechnique, Vol 20, 7p ISSMFE (1989) International reference test procedures for dynamic probing (DP). Report of the ISSMFE Technical Committee on Penetration Testing of Soils TC 16 with Reference Test Procedures. Swedish Geotechnical Society, 49p. 1 Nilsson T. (2003) Experiências iniciais de DPL NILSSON, I Simposio do Centro-Oeste. CD ROM. Nilsson. T. (2004) Comparações entre DPL NILSSON e SPT, Geosul 2004, Curitiba/ PR, de Maio de 2004, 6p. Nilsson. T. (2004) O penetrômetro portátil DPL NILSSON, SEFE V / BIC II 2004, São Paulo/ SP, 6p. Nilsson. T. (2007) Parameter approach from DPL Nilsson test, ISC3 The 3d International Conference on Site Characterization, 2008, Taipei, Taiwan, 4p. Costa Jr.,H. & Montanhini, L.R.A., 1999, Ensaios de Penetração Um breve relato, Florianópolis/SC. DNER, 1994, Solos Determinação do módulo de resiliência DNER-ME 131/94 Ullidtz, J, 1987, Pavement Analysis, Elsevier, Amsterdam ASTM, 1987, Standard Guide for General Pavement Deflection Measurements D Yoder, E.J, 1959, Principles of pavement design, John Wiley & Sons, New York. 8