PROPRIEDADES DE UM SOLO RESIDUAL DO CAMPO EXPERIMENTAL DA UNICAMP, DETERMINADAS POR PRESSIÔMETRO DE AUTO-FURAÇÃO DE CAMBRIDGE - CAMKOMETER

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1 PROPRIEDADES DE UM SOLO RESIDUAL DO CAMPO EXPERIMENTAL DA UNICAMP, DETERMINADAS POR PRESSIÔMETRO DE AUTO-FURAÇÃO DE CAMBRIDGE - CAMKOMETER Sampaio Junior, J.L.C. (M.Sc.) 1 ; Pinto, C.S. (D.Sc.) 2 & Carvalho, D. (D.Sc.) 3 RESUMO Neste trabalho são apresentados os resultados de ensaios pressiométricos com o pressiômetro de auto-furação (Camkometer), executados no solo residual de diabásio do Campo Experimental de Mecânica dos Solos e Fundações da. Este local possui características de colapsibilidade até cerca de 8m de profundidade e de não-saturação até cerca de 18m. Apresentam-se valores de resistência e de módulo de cisalhamento, G, o qual é comparado ao módulo de cisalhamento máximo, G, obtido a partir de ensaios cross-hole já realizados no local. É apresentada neste trabalho uma nova técnica utilizada para inserção do pressiômetro no solo, sem a utilização de circulação de água, visando assim não alterar a condição não-saturada do mesmo. ABSTRACT In this work are presented the results of the Camkometer Pressuremeter Testings in a residual soil of the Experimental Soil Mechanicas and Foundation Campus of the University of Campinas. The soil in this place presents colapsable characteristics up to about the depth of 8 m and an unsaturated layer of 18 m depth. It was presented shear strength and shear modulus (G) values. The shear modulus (G) is compared to the maximum shear modulus (G ) obtained of the cross-hole testings made before, in the place. It is presented in this work a new technique to insert the pressuremeter into the soil, without the use of water, aiming, in this way, do not disturbe the unsaturated soil condition. Palavras-chave: Pressiômetro Camkometer, solo residual, deformabilidade. INTRODUÇÃO Ensaios pressiométricos são reconhecidos como um dos procedimentos mais promissores para a determinação de parâmetros representativos do comportamento dos solos in situ, possibilitando a obtenção de informações sobre o estado de tensões, sobre a deformabilidade e sobre a resistência destes solos. Em especial, são muito recomendados os pressiômetros de auto-furação, que permitem a instalação do pressiômetro com muito pouca perturbação do terreno. Um projeto de pesquisa se propôs a realizar um conjunto de ensaios no Campo Experimental de Estudos de Mecânica dos Solos da UNICAMP, no campus desta Universidade, em Campinas, permitindo que os dados obtidos possam ser confrontados com os resultados de investigações previamente realizadas, com outras técnicas de ensaio de campo e por meio de ensaios sobre amostras indeformadas. Relatam-se as técnicas empregadas e os resultados obtidos. O CAMPO EXPERIMENTAL DA UNICAMP O Campo Experimental de Estudos de Mecânica dos Solos e Fundações de Campinas-SP está localizado em uma área de aproximadamente 1m 2, próximo aos laboratórios da Faculdade de Engenharia Agrícola da. O subsolo do local é constituído por um solo residual de diabásio, com uma camada superficial de argila silto-arenosa de alta porosidade com aproximadamente 6,m de expessura, seguida de uma camada de concreção com,5m de espessura, e depois por uma camada de silte argilo-arenoso, até 16m de profundidade, não tendo sido encontrado o N.A., conforme Carvalho et al (2). A investigação do subsolo do local foi realizada, por Carvalho et al (2), através da execução de sondagens de simples reconhecimento (SPT e SPT-T), ensaios de penetração contínua (CPT), ensaios sísmicos cross-hole e ensaios laboratoriais em amostras deformadas e indeformadas. Monacci et al (1997) realizaram em amostras extraídas do local ensaios de duplo oedômetro, o que permitiu verificar a ocorrência de solo colapsível até 8,m de profundidade. Giacheti (21) também realizou ensaios cross-hole no local. A Figura 1 mostra o perfil típico do Campo Experimental com os parâmetros geotécnicos recomendados por Carvalho et al (2). 1 Doutorando da Universidade de São Paulo 2 Escola Politécnica da Universidade de São Paulo 3 Universidade Estadual de Campinas -

2 Figura 1 Perfil típico do Campo Experimental da com parâmetros geotécnicos recomendados (apud Carvalho et al, 2) A PROGRAMAÇÃO DOS ENSAIOS PRESSIOMÉTRICOS O pressiômetro empregado foi do tipo auto-perfurante de Cambridge (Camkometer), SBP-MPX, tipo VIII D, fabricado pela Cambridge Insitu, Cambridge, England. Uma das características deste equipamento é que o pressiômetro é cravado no terreno de forma a provocar a menor perturbação do solo, sendo o material desagregado durante a cravação por meio de uma broca interna ao cilindro, agindo por meio de uma sonda rotativa, e removido por circulação de água. Tal procedimento, no caso de solos não saturados, provoca, inevitavelmente, alterações do estado natural do terreno, com evidente interferência nas características naturais. Sendo o solo do Campo Experimental da UNICAMP nitidamente poroso e não saturado, a presente investigação procurou esclarecer exatamente este fator. Pesquisou-se, então, uma técnica de inserção do pressiômetro no terreno através de pré-furo a seco, cravando-se antecipadamente amostradores do tipo shelby com diâmetros inferiores ao do próprio pressiômetro. Foram testados amostradores shelby com 64 mm e 76 mm de diâmetro, sendo de 83 mm o diâmetro do pressiômetro. O pré-furo com os tubos shelby foram feitos em etapas, da ordem de 3 cm, pois se observou que para maiores comprimentos a recuperação não era total; ocorria embuchamento, e o amostrador empurrava o terreno na sua frente, comprimindo-o. Quando o pré-furo atingia um comprimento de 1,1 m, colocava-se o pressiômetro, que, com pequeno esforço, removia o material em excesso (a diferença entre o diâmetro do pressiômetro e o diâmetro do pré-furo, correspondente ao shelby empregado). Com o transcorrer dos ensaios concluiu-se que o melhor procedimento era o de atingir a profundidade de 11 cm com o shelby de 6 cm, em quatro operações, e alargar a parte superior do pré-furo com o shelby de 76 mm só nos 2 cm superiores, de forma a posicionar o pressiômetro centralizado em relação ao pré-furo. O pressiômetro tem 1 cm de comprimento, sendo os 1 cm adicionais no fundo do furo destinados a coletar o material desbastado do furo na colocação do equipamento. Foram feitos 1 ensaios, em três furos próximos, até a profundidade de 8 m. Em cinco ensaios, a inserção do pressiômetro foi feita com pré-furo, como acima descrito Em três ensaios, para efeito de comparação, a inserção foi feita da maneira convencional, com auto-furação e remoção por meio de circulação de água. Dois ensaios adicionais foram feitos com pré-umedecimento do terreno, despejando-se água no furo ao ser atingida a cota de cravação e colocando-se o pressiômetro em seguida, para o que pouca resistência era oferecida pelo terreno. Os ensaios foram realizados de acordo com a metodologia adotada universalmente, com as pressões internas crescentes com velocidade controlada, registrando-se os deslocamentos dos três braços de referência, por meio de transdutores, sendo as pressões neutras detectadas por dois trandutores de pressão, próximos à posição média da membrana expandida. Durante cada ensaio, fizeram-se ciclos de descarregamento-recarregamento, com o objetivo de determinar o comportamento reológico do solo nestas condições. A pressão foi aumentada até que a deformação radial atingisse um valor da ordem de 4 mm, procedendo-se, então, ao descarregamento, com medida das deformações.

3 RESULTADOS DOS ENSAIOS Resultados de ensaios feitos em profundidades semelhantes, indicando a relação entre as pressões aplicadas e os aumentos de diâmetro da cavidade, pelos três procedimentos de inserção do pressiômetro, estão apresentados nas Figuras 2, 3, 4 e 5. Pressão (kpa) B15T1 B16T1 B17T Deslocamento de cavidade (mm) Figura 2 - Resultados de ensaios feitos na profundidade de 3,3 m com pré-furo (B15T1 e B16T1) e de um ensaio, na mesma profundidade, com o terreno previamente umedecido (B17T1) Pressão (kpa) B15T2 B16T2 B17T Deslocamento de cavidade (mm) Figura 3 Resultados de ensaios feitos na profundidade de 5, m com pré-furo (B15T2), com circulação de água (B16T2) e no terreno previamente umedecido (B17T2) Pressão (kpa) B15T3 B16T Deslocamento de cavidade (mm) Figura 4 Resultados de ensaios feitos na profundidade de 6,4 m com pré-furo (B15T3) e com circulação de água (B16T3)

4 Pressão (kpa) B15T4 B16T Deslocamento de cavidade (mm) Figura 5 Resultados de ensaios feitos na profundidade de 7,8 m com pré-furo (B15T4) e com circulação de água (B16T4) Observa-se que em todos os ensaios ocorreu deslocamento lateral do terreno para pequenas pressões aplicadas no pressiômetro, indicando as curvas pressão versus deslocamento que alguma perturbação ou alívio de tensão ocorreu por ocasião da inserção do equipamento. Este aspecto é mais nítido nos ensaios em que o pressiômetro foi cravado com circulação de água, onde não deve ter ocorrido corte adicional do terreno, mas nos quais a água deve ter enfraquecido o solo nas imediações do furo, eliminando a natural tensão de sucção. A perturbação do terreno natural também foi observada nos ensaios em que não houve circulação de água, mas um pré-furo foi feito com amostradores shelby de diâmetro inferior ao do equipamento. Nos primeiros ensaios em que foi feito o pré-furo (B15T2, por exemplo), o efeito da cravação na perturbação do terreno é bastante nítido. Para os ensaios a partir de 5, m de profundidade, entretanto, quando o pré-furo foi feito com avanço reduzido dos tubos shelby, como acima descrito, os resultados são bem melhores, tendo ocorrido expansão da cavidade para valores nítidos de pressão aplicada. Nos dois ensaios em que houve uma infiltração de água propositada, antes da cravação do equipamento, o terreno apresentou-se extremamente fraco, mostrando a importância do fenômeno de colapsividade deste solo. Os resultados dos ensaios mostram este aspecto com relevância, mas não representam qualquer indicador que permita quantificar o fenômeno. Para todos os ensaios, pode-se afirmar que os resultados não apresentam o comportamento do terreno no seu estado indeformado. Qualquer tentativa de determinar as tensões horizontais naturais do terreno, uma das características de ensaios com pressiômetro de auto-furação, deve ser abandonada para os ensaios feitos neste tipo de terreno. Entretanto, os resultados são plenamente aceitáveis para a obtenção dos parâmetros representativos do comportamento mecânico do solo. Estes resultados de ensaios são, no mínimo, equivalentes a ensaios correntemente feitos em pré-furo, como os realizados com pressiômetro Menard, mas com todas as vantagens proporcionadas pelo pressiômetro de Cambridge, principalmente na boa definição de tensões e deformações que permitem um acurado estudo dos módulos de deformabilidade do solo. Estas interpretações são apresentadas a seguir. APRESENTAÇÃO DOS PARÂMETROS OBTIDOS Os dados foram analisados de acordo com metodologias propostas por diversos pesquisadores, referidos na seqüência, empregando-se também programas de microcomputador desenvolvido pelos fabricantes do equipamento e por Mántaras (2), sendo os resultados apresentados a seguir. Parâmetros de deformabilidade do solo Nos ensaios foram feitos ciclos de descarregamento e recarregamento, recomendados para a determinação dos parâmetros de deformabilidade do material. A análise dos resultados permite a obtenção direta do módulo de cisalhamento, G UR, pela relação entre os acréscimos de pressões aplicadas e a deformação volumétrica, que é igual a duas vezes a deformação de cavidade. Analisando mais detalhadamente os ciclos nota-se que o comportamento tensão-deformação do solo não é linear, e os módulos de deformabilidade dependem do nível de tensão, e, conseqüentemente, da deformação a que o solo é submetido. Portanto, utilizou-se a metodologia proposta por Pinto e Abramento (1998) na qual adotou-se o procedimento de se determinar o módulo secante para diversos valores de deformação a partir do nível mínimo atingido no ciclo de descarregamento-recarregamento. A partir daí, adotou-se como referência o módulo correspondente a uma amplitude de deformação de,1%. Apresenta-se na Figura 6, para todos os ensaios menos o B17T1 que não forneceu resultados, os valores de módulos de cisalhamento em função da deformação, de um ciclo de descarregamento-recarregamento realizado quando a deformação era próxima a 2%.

5 Gsec (MPa) B15T1 B15T2 B15T3 B15T4 B16T1 B16T2 B16T3 B16T4 B17T Intervalo de deformação (%) Figura 6 Módulos de cisalhamento, em função do intervalo de deformação A partir dos resultados apresentados na Figura 8 elaborou-se a Tabela I, na qual mostra-se a variação dos valores de módulos de cisalhamento para,1% de deformação, obtidos entre os ensaios realizados com pré-furo sem circulação de água, os que utilizaram circulação de água na cravação do pressiômetro e os que foram realizados após a inundação prévia do furo. Nota-se que, efetivamente, a circulação de água durante a cravação do pressiômetro reduz o módulo de cisalhamento de 18 a 28%, o que indica que esta técnica de inserção do equipamento deve ser evitada em solo tão poroso como o do terreno em estudo. Com relação ao ensaio no terreno previamente inundado, o resultado mostra o quanto o solo é susceptível à infiltração de água; o quanto ele é colapsível. Tabela I Módulos de cisalhamento para diversas profundidades Módulos de cisalhamento, G,1 (MPa) Pré-furo Circulação água Inundação 24,4 e , 28, 12,3 65,6 47,3-38,5 29,3 - A Figura 7 apresenta a variação do módulo de cisalhamento, G,1, obtido dos ensaios que não utilizaram água na cravação do pressiômetro, e dos valores de G obtidos dos ensaios cross-hole obtidos por Carvalho et al (2) e por Giacheti (21), com a profundidade. De maneira geral, os módulos G,1 se situaram em torno de 3 a 4% dos valores de G obtidos por Carvalho et al (2) e de 2 a 25% dos valores de G determinados por Giacheti (21). Profundidade (m) G (Giachetti) G (Carvalho) G, Figura 7 Variação de módulo cisalhante com a profundidade Menção especial merece o resultado do ensaio a 6,4 m de profundidade. Neste caso, os módulos G,1 se aproximam mais dos valores de G obtidos, e a estimativa de G pelo ajuste hiperbólico situa-se, inclusive, entre os valores determinados pelo ensaio cross-hole. Deve ser notado que, nesta profundidade, este ensaio corresponde à camada de solo nitidamente mais resistente, conforme citado na descrição da área e indicado na Figura 1. Por ocasião do ensaio, notou-se que o pressiômetro ficou com os transdutores de deslocamento posicionados diretamente nesta camada, e o ensaio reflete, portanto, a rigidez da mesma. Nos ensaios cross-hole a maior rigidez desta camada pode ter tido influência da velocidade de propagação de onda de choque, ainda que o choque e a recepção do sinal não tenham ocorrido diretamente na camada que, como já salientado, apresenta pequena espessura. Para cada ensaio foi determinada uma equação hiperbólica, relacionando o módulo de cisalhamento com a deformação de cavidade, como mostra a Figura 8 para o ensaio B15T4. Para deformação nula, estas equações definiram

6 um módulo G. Os valores assim obtidos estão apresentados na Tabela II, juntamente com os resultados de ensaios cross-hole de Carvlho et al (2) e de Giacheti (21). Os resultados obtidos pelas regressões feitas são, em geral, bem inferiores aos módulos G dos ensaios cross-hole. Tal fato indica que a equação hiperbólica não pode ser extrapolada para valores de deformação abaixo das deformações com as quais os dados foram obtidos. 6 5 B15T4 --- Equação hiperbólica Gsec (MPa) G=58,5 MPa Intervalo de deformação (%) Figura 8 Ajuste na curva de decréscimo de módulo G com a deformação ε do ensaio B15T4 Tabela II - Comparação entre os valores de módulo de cisalhamento máximo, G Valores de G (MPa) Estimado pela Ensaio Prof. (m) equação Carvalho et al (2) Giachetti (21) hiperbólica B15T1 3, ,5 115 B15T2 5, 52,5 97,5 154,5 B15T3 6,4 142, B15T4 7,85 58, ,5 B16T1 3,55 55, O efeito da deformação é estudado com a normalização dos valores de módulos pelos módulos correspondentes à deformação de,1%, em função do intervalo de deformação de cavidade, como mostra a Figura 9, que apresenta uma curva de ajuste obtida pela equação hiperbólica: G 1 = (1) G,524 4,343.ε,1 + G/G, B15T1 B15T2 B15T3 B15T4 B16T1 --- Equação hiperbólica Intervalo de deformação (%) Figura 9 Variação dos módulos de cisalhamento normalizados em função do módulo para intervalo de deformação de,1%, com o intervalo de deformação Resistência drenada do solo O solo apresentou um comportamento drenado durante o carregamento no ensaio, evidenciado no monitoramento das pressões neutras, que não apresentaram geração de acréscimos. Assim., a análise da resistência drenada foi realizada por dois métodos de análise: o método de Hughes et al (1977) para interpretação de ensaios pressiométricos em areias considerando-se a variação de volume, que fornece valores de ângulo de cisalhamento, φ, e ângulo de dilatância, ψ para o material. Este método está implementado no programa de análise InSitu que acompanha o Camkometer. O outro método é um método de ajuste da curva do ensaio, proposto por Mántaras (2), no qual se utiliza a análise de Yu e Houlsby (1991), que apresentaram uma solução fechada de expansão de cavidade para solos coesivos-friccionais, e que foi implementada em MathCad. Segundo Mántaras (2) a característica fundamental do

7 método reside no fato de que cada parâmetro geotécnico é relacionado matematicamente aos outros em uma mesma formulação teórica. Apresenta-se na Tabela III os resultados obtidos pelo método de Hugues et al (1977), para os ensaios que não utilizaram circulação de água para cravação do equipamento, sendo que, nos ensaios B15T1 e B16T1 a parte final da curva log-log pressão efetiva versus deformação de cavidade não ficou retilínea, impossibilitando a determinação da resistência drenada por esse método. O método de ajuste de Yu e Houlsby (1991) foi utilizado apenas para o ensaio B15T4 pois foi o único dos ensaios que apresentou um valor de P mais bem definido, obtido pelo método lift-of, mesmo que para apenas um braço de deslocamento, e pela forma da curva de ensaio apresentada, sendo que, o ajuste foi realizado apenas para a fase de carregamento. Na utilização desta análise fixou-se valores de módulo de cisalhamento para,1% de deformação de cavidade obtidos dos ciclos de descarregamento-recarregamento, G,1, de coeficiente de Poisson adotado por Carvalho et al (2), ν=,3, de P obtido pelo método lift-of e de φ cv considerado igual a 3º, e assim, obteve-se os valores de ângulo de resistência ao cisalhamento, φ, de coesão, c, e de ângulo de dilatância,ψ. O ajuste da curva está apresentado no Figura 1 e os resultados estão presentes na Tabela IV. Tabela III Estimativa da Resistência Drenada para ensaios sem circulação de água na cravação, pelo método de Hugues et al (1977) Método Hugues et al Ensaios φ'cv (º) φ' (º) ψ' (º) B15T B15T B15T Ensaio B15T4 Pressão (kpa) P j P j Ajuste Dados rc, rm j j Raio de cavidade (mm) Figura 1 - Ajuste da fase de carregamento da curva do ensaio B15T4 pelo método de Yu e Houlsby (1991) implementado por Mántaras (2) Tabela IV - Estimativa da Resistência Drenada para o ensaio B15T4, pelo método de Yu e Houlsby (1991) Método Yu e Housby Ensaios φ'cv (º) φ' (º) c' (kpa) ψ ' (º) ν G,1 (kpa) P (kpa) B15T , O ajuste da curva pelo método Yu e Houlsby apresentou-se satisfatório, levando-se em consideração que a fase inicial da curva do ensaio neste material é suscetível a alguma perturbação ou alívio de tensões, conforme já citado. Os resultados forneceram valores de resistência condizentes com os obtidos em laboratório por Carvalho et al (2), tendo utilizado para isso parâmetros obtidos diretamente do ensaio pressiométrico. Análises complementares Foi feita uma correlação entre o módulo de cisalhamento obtido a partir de ensaios pressiométricos, G, com o N SPT do local obtido de Albuquerque et al (21), que está apresentada na Figura 11, e pode ser representada pela equação: G,1 = N SPT (2) 46

8 5 4 G,1 (MPa) B15T1, B15T2, B15T4 e B16T1 G=14+4Nspt NSPT Figura 11 Módulo de cisalhamento em função da resistência à penetração Estes resultados são 25% superiores aos obtidos por Pinto e Abramento (1998b) para um solo residual de migmatito, abaixo do nível d água. Nesta correlação não foi incluído o resultado do ensaio B15T3 pois os mesmo foi realizado na camada intermediária mais resistente, e os resultados dos ensaios SPT não apresentaram o acréscimo de resistência existente para essa camada, visível em outros ensaios. CONCLUSÕES A utilização de uma nova técnica para inserção do pressiômetro no terreno poroso, sem a utilização de água, ocasionou uma perturbação ou alívio de tensões no terreno natural, mas foi menos acentuada do que quando se cravou o equipamento com circulação de água, o que deve ter enfraquecido o solo colapsível do local. Abandonou-se, assim, a tentativa de se determinar as tensões horizontais do terreno, mas os resultados foram plenamente aceitáveis para obtenção dos parâmetros representativos do solo. A análise de deformabilidade do solo mostrou que, a utilização de água durante a cravação do pressiômetro reduziu o módulo de cisalhamento de 18 a 28% para ensaios realizados na mesma profundidade, portanto, este tipo de cravação deve ser evitado em solo tão poroso. A análise de resistência drenada demonstrou que os parâmetros aproximaram-se dos obtidos por Carvalho et al (2) em ensaios de laboratório em amostras indeformadas, mas a forma das curvas obtidas não permitiu que se fizesse uma análise mais detalhada dos ensaios realizados. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Albuquerque, P.J.R., Massad, F., Carvalho, D. e Ferreira, M.ªM. (21) Comportamento à compressão de estacas escavadas, hélice contínua e hélice tipo ômega, em solo residual de diabásio,, Campinas. Carvalho, D., Albuquerque, P.J.R. e Giacheti, H.L. (2) Campo experimental para estudos de mecânica dos solos e fundações em Campinas-SP. SEFE IV, Seminário Brasileiro de Investigações de Campo, São Paulo, pp Giacheti, H.L.(21) Os ensaios de campo na investigação do subsolo: estudos e considerações quanto à aplicação em solos tropicais, Texto de livre docência, FEB-UNESP, 299p. Hughes, J.M.O., Wroth, C.P. e Windle, D. (1977) Pressuremeter tests in sands. Géotechnique, v.27, n.4, pp Mántaras, F.M. (2) Expansão de cavidade cilíndrica em solos de natureza coesivo-friccionante. Tese de Doutorado, Engenharia Civil, UFRGS. Monacci, M.D., Carvalho,D. e Albuquerque, P.J.R. (1997) Análise da colapsividade de um solo residual de Diabásio da região de Campinas. Anais do 3 o Simpósio Brasileiro de Solos Não Saturados, R.J. Vol.1, pp Pinto, C.S. e Abramento, M. (1998a) Características das argilas rijas e duras, cinza-esverdeadas de São Paulo determinadas por pressiômetro de auto-furação Camkometer. XI COMBRAMSEG, Brasília. Pinto, C.S. e Abramento, M. (1998b) Propriedades de solos residuais de gnaisse e migmatito determinadas por pressiômetro de auto-furação de Cambridge Camkometer. XI COMBRAMSEG, Brasília Yu, H.S. & Houlsby, G. (1991) Finite cavity expansion in dilatant soils: loading analysis. Géotechinique. 41, No.2, pp