Abordagem Estatística Sobre a Influência do Método de Colocação da Sonda do Pressiômetro Ménard no Solo

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1 Abordagem Estatística Sobre a Influência do Método de Colocação da Sonda do Pressiômetro Ménard no Solo William de Paiva Departamento de Matemática e Estatística, Univ. Estadual da Paraíba, Campina Grande, Brasil (Doutorando, GEGEP/DECIV, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, Brasil) Raimundo Leidimar Bezerra Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal de Campina Grande, C. Grande, Brasil Erinaldo Hilário Cavalcante Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal de Sergipe, Aracaju, Brasil RESUMO: Dos fatores que mais afetam os resultados de um ensaio pressiométrico, o método usado para a colocação da sonda no solo é o que mais se destaca. Dependendo do método empregado e dos cuidados tomados durante o processo de colocação da sonda no terreno, o ensaio será de boa ou de má qualidade. O presente trabalho aborda este aspecto a partir de ensaios realizados com o Pressiômetro Ménard, utilizando-se como técnicas de inserção da sonda, o pré-furo e a inserção direta por cravação dinâmica. As análises da influência dos métodos de colocação da sonda nos parâmetros pressiométricos foram feitas através de estatística descritiva e inferencial. Os resultados das análises evidenciaram que o módulo pressiométrico é muito mais afetado pelos efeitos da cravação dinâmica do que a pressão limite. PALAVRAS-CHAVE: Pressiômetro, PMT, Inserção da Sonda, Estatística Descritiva e Inferencial. 1 INTRODUÇÃO O Pressiômetro Ménard é um instrumento operado sob tensão controlada, onde se faz medição de volume de água usado para expandir a sonda na cavidade do terreno. A sonda pressiométrica é formada por três células (uma central e duas de guarda), onde a célula central se expande com pressão de água, enquanto as duas outras células, de extremidade, são expandidas sob pressão de gás, geralmente o Nitrogênio (N 2 ). O objetivo da presente pesquisa foi analisar o efeito do método de inserção da sonda no solo a partir do processo de cravação por percussão, estudando-se possíveis alterações nos valores do Módulo Pressiométrico (E P ) e da Pressão Limite (P L ), tendo-se como referência para efeitos comparativos o método de instalação da sonda em pré-furo. 2.0 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Local da Pesquisa A área onde foi realizada a presente pesquisa fica situada no litoral norte de João Pessoa, ao sul do litoral de Cabedelo, há aproximadamente 200 km de Recife. O terreno escolhido para realização dos ensaios era utilizado como um campo experimental da UFCG, à época. No local já haviam sido realizados diversos ensaios, dentre eles, prova de carga sobre placa helicoidal (SCT), ensaio de penetração padrão (SPT) e ensaio pressiométrico em pré-furo (PMT). O campo experimental desta pesquisa, designado por ATC-01 (Medeiros, 1998), localiza-se no cruzamento das ruas N o 2 e Mar Cáspio, ficando aproximadamente a 100 metros da Av. Litorânea, bairro do Bessa, em João Pessoa. 2.2 Pedologia e Clima O depósito arenoso do local é composto por sedimentos recentes do período holoceno, da

2 era quaternária, que compreende as praias, restingas, manguesais e aluviões. Esses sedimentos são caracterizados como materiais inconsolidados, constituídos por areia argilosa e por depósitos marinhos sobrepostos (Medeiros, 1998). Conforme classificação pedológica atribuída a essa região litorânea, os sedimentos que dão origem aos solos são: areias quartzosas marinhas distróficas, solos muito profundos, de baixa fertilidade e excessivamente drenados. Em toda a faixa litorânea local, o clima dominante é o AS de Koppem, quente e úmido, com chuvas de outono a inverno. 2.3 Caracterização Básica do Depósito A Figura 1 apresenta um perfil típico de sondagem com SPT realizado no local. Da figura observa-se que o perfil é relativamente estratificado, constituído basicamente de cinco horizontes arenosos, sendo a segunda camada, de 3 m a 7 m, a mais compacta do perfil. 2.4 Ensaios Pressiométricos O ensaio pressiométrico é um ensaio in situ que dá uma resposta em termos do comportamento tensão-deformação da massa de solo em estudo. A partir dessa relação, obtém-se parâmetros tanto de resistência quanto de compressibilidade do solo, que são importantes na concepção de um projeto de fundações. Foram utilizadas duas técnicas diferentes durante a realização da campanha de ensaios pressiométricos: i) técnica de pré-furo, realizada por Medeiros (1998) e, ii) técnica de inserção direta (cravação dinâmica), realizada por Paiva (2000). Durante a primeira etapa foram realizados três furos de sondagem, enquanto que para a segunda etapa foram feitos ensaios em dois furos. Os ensaios pressiométricos foram executados em conformidade com as recomendações da norma americana (ASTM D-4719,1987). A Figura 2 mostra a locação dos ensaios realizados dentro da área pesquisada. O equipamento utilizado nesta pesquisa foi um Pressiômetro Ménard, modelo GC, que é composto das seguintes partes: sonda pressiométrica, unidade de controle de pressão e de volume (CPV) e unidade alimentadora (cilindro de gás, tubulações e conexões). O cilindro de gás é de aço, pequeno, e tem capacidade para armazenar em torno de 1 litro de Nitrogênio (N 2 ), com uma pressão de até 20 MPa. Profundidade (m) N Areia fina, fofa a pouco compacta, amarela claro Areia média, medianamente a muito compacta, amarela claro Areia fina, medianamente compacta, amarela claro Areia siltosa, fina, medianamente compacta a pouco compacta, amarela claro Areia siltosa, fina, fofa, amarela claro Areia média, medianamente compacta a compacta, amarela claro Interrupção da sondagem Figura 1 Perfil típico de solos arenosos de J. Pessoa. 2.5 O Pressiômetro Utilizado na Pesquisa Figura 2 Locação dos furos onde foram feitos os ensaios pressiométricos.

3 A CPV é composta basicamente de um conjunto de manômetros e um volumímetro, e serve para a monitoração da pressão aplicada na sonda e a correspondente variação de volume. As tubulações e as conexões são os acessórios responsáveis pela ligação entre o cilindro de gás, a CPV e a sonda. Na célula central da sonda é usada água destilada e desaerada, sendo nela onde se registra a variação de volume. As células de guarda são infladas com o gás N 2, e têm a função de permitir que a sonda deforme a cavidade da forma mais cilíndrica possível As Sondas Pressiométricas Na atual pesquisa foram utilizados três tipos de sondas: i) com revestimento metálico; ii) sem revestimento metálico (Medeiros, 1998) e, iii) uma terceira, utilizada de forma confinada em um tubo lanterné, dotado de fendas laterais (Paiva, 2000). Para os ensaios realizados no Furo 01 (préfuro), utilizou-se à sonda com cobertura de borracha (tipo BX), com diâmetro externo de 5,9 cm e 45,0 cm de comprimento. O volume da célula central foi 622,45 cm 3. Para os ensaios nos Furos 02 e 03 (pré-furo), a sonda com cobertura de borracha foi substituída por outra com uma proteção metálica, uma vez que foi observado o desgaste excessivo da borracha (furos) durante a execução dos ensaios. A sonda com cobertura metálica tem diâmetro interno igual a 5,7 cm e comprimento igual a 45,0 cm. O volume dessa sonda é igual a 886,66 cm 3. Para os ensaios feitos através de inserção por cravação dinâmica, utilizou-se uma sonda de borracha do tipo BX, com diâmetro externo igual a 5,9 cm e comprimento de 61,0 cm, aproximadamente. O volume da célula central dessa sonda era 576,00 cm Inserção em Pré-Furo Nos ensaios em pré-furo, a furação foi realizada com auxílio do trépano do sistema SPT, tomando-se os cuidados necessários para não perturbar excessivamente o terreno. Até à profundidade de 2,0 m, a perfuração foi feita com o auxílio de um trado manual, do tipo helicoidal. A partir do nível do lençol freático, foram necessários os empregos simultâneos da técnica de lavagem com o trépano e utilização de lama bentonítica, evitando assim o desmoronamento das paredes do furo Inserção Direta por Cravação Dinâmica A instalação da sonda por sistema de cravação dinâmica foi realizada com a utilização do equipamento de SPT (ABNT, 2001), em que a sonda foi cravada com auxílio do martelo. A cada metro de avanço do sistema, foi realizado um ensaio pressiométrico de acordo com as prescrições da norma americana (ASTM D- 4719, 1987) e das sugestões de Briaud (1992). O tripé utilizado na penetração do trépano, bem como o martelo e a cabeça de bater foram adaptados às hastes do PMT, tornando-se assim possível a penetração do sistema sonda-haste. Para as duas sistemáticas de cravação, as medidas de variação de volume da sonda após a devida instalação na posição de ensaio foram anotadas a cada 1 minuto, após a aplicação de cada estágio de pressão. 2.6 Parâmetros Pressiométricos Analisados Os parâmetros pressiométricos analisados foram o módulo pressiométrico e a Pressão Limite. Os valores de E p foram estimados com auxílio do gráfico da pressão versus variação de volume da sonda, seguindo recomendações da Norma ASTM D 4719 (1987). As Equações 1 e 2 foram empregadas para o cálculo dos valores de E p. A Pressão Limite também foi estimada conforme sugerido na citada norma norteamericana. E P P = 2 (1 + µ ). Vm ( ) (1) V onde: ν = coeficiente de Poisson (adotado 0,33); (P 2 -P 1 ) = P = diferença de pressão no trecho pseudo-elástico; V= diferença de volume no trecho pseudoelástico;

4 Vo + ( V 1 + V V 2) m = 2 (2) em que: V o = Volume inicial da sonda; V c = Acréscimo de volume a cada estágio. V 1 = Volume do início do trecho pseudoelástico; V 2 = Volume do final do trecho pseudoelástico; 3 ANÁLISE DOS RESULTADOS 3.1 Módulo Pressiométrico Na terceira coluna da Tabela 1 são apresentados os valores médios de E P para as três investigações em pré-furo e duas com a sonda colocada por inserção direta. Com relação à influência do processo de instalação da sonda no solo, verificou-se que os valores médios de E p obtidos em ensaios com inserção direta foram 67,8% maiores que os obtidos em ensaios feitos em pré-furo. Isto se dá em duas faixas de profundidades: i) a primeira entre 1 m e 3 m e, ii) a segunda, entre 8 m e 13 m, onde existem as camadas de areia fina, siltosa, de fofa a pouco compacta. Na faixa que vai de 4 m a 7 m, camada de areia medianamente a muito compacta, a influência do processo de cravação no módulo pressiométrico foi ainda maior, cerca de 290%. Tabela 1 Valores do Módulo Pressiométrico (E P ). Prof Furo 1 Furo 2 Média (m) PF ID PF ID PF ID Grupo G1 G2 G1 G2 G1 G2 1,0 2,7 6,7 2,4 6,7 2,5 6,7 2,0 3,3 8,6 2,4 7,3 2,9 8,0 3,0 1,5 12,6 4,6 10,2 3,0 11,4 4,0 16,0 73,0 22,1 5,5 19,0 39,2 5,0 16,2 47,5 13,9 34,0 15,1 40,8 6,0 12,5 32,3 19,6 61,5 16,1 46,9 7,0 3,4 11,9 8,4 82,8 5,9 47,4 8,0 5,7 7,2 4,9 9,3 5,3 8,3 9,0 7,3 6,2 3,9 8,9 5,6 7,5 10,0 5,6 7,7 5,2 6,3 5,4 7,0 11,0 6,8 3,3 5,8 4,5 6,3 3,9 12,0 5,4 7,3 5,4 10,7 5,4 9,0 13,0 4,0 6,5 2,3 9,1 3,1 7,8 PF = pré-duro; ID = inserção direta. As diferenças observadas se devem possivelmente aos efeitos de compactação que o processo dinâmico gera, sendo bem mais intenso na camada de areia compacta. 3.2 Pressão Limite Na Tabela 2 são mostrados os valores de P L obtidos nesta pesquisa. Pela Tabela 2 observase que, ao contrário da influência observada com E p, a Pressão Limite não sofreu grandes alterações de valores nos respectivos trechos do terreno, motivadas pelos efeitos da colocação alternativa (inserção direta) da sonda. De acordo com estudos desenvolvidos por YU e HOULSBY (1991) e dados obtidos no local desta pesquisa (Paiva et alli.,1999), a influência maior em P L geralmente decorre da relação geométrica da sonda (L/D). Além disso, a ruptura do solo ocorre num estágio posterior à fase elástica, que é bem menos influenciada pelos efeitos da instalação da sonda. Nos dados aqui apresentados, os trechos de menor efeito da compactação, indicados pelos valores do módulo (entre 1 m e 3 m, e 8 m e 13 m), ocorre um aumento médio de apenas 33% nos valores de P L. No trecho mais compacto (de 4 m a 7 m), foi observado um aumento médio em P L de apenas 37,5%, em relação aos valores obtidos em pré-furo. Isso mostra, de fato, a pouca influência do processo de instalação da sonda do Pressiômetro Ménard nos valores da Pressão Limite. Tabela 2 Valores da Pressão Limite (P L ). Prof. Furo1 Furo2 Média (m) PF ID PF ID PF ID Grupo G1 G2 G1 G2 G1 G2 1 0,31 0,48 0,41 0,41 0,36 0,44 2 0,48 0,95 0,55 0,78 0,51 0,87 3 0,43 1,57 0,78 1,01 0,61 1,29 4 1,10 2,50 1,05 1,15 1,08 1,83 5 2,05 2,71 1,70 1,06 1,88 1,89 6 2,33 2,12 2,60 2,90 2,47 2,51 7 0,73 1,32 1,00 2,20 0,87 1,76 8 0,80 1,10 0,75 1,40 0,77 1,25 9 0,82 0,85 0,62 0,42 0,72 0, ,76 0,83 0,62 0,85 0,69 0, ,70 0,70 0,64 0,69 0,67 0, ,82 0,97 0,65 0,94 0,74 0, ,65 0,80 0,60 0,88 0,63 0,84 PF = pré-duro; ID = inserção direta.

5 4 ABORDAGEM ESTATÍSTICA Foi realizada uma análise estatística dos dados para se ter uma melhor visualização quanto aos valores de máximo e mínimo e da variabilidade dos mesmos, observando-se parâmetros descritivos tais como a média aritmética, desvio padrão e coeficiente de variação. Em seguida, realizou-se uma análise de variância (ANOVA). Como seu próprio nome sugere, a variabilidade ou variância entre observações é identificada com base em várias fontes, ao serem testadas de maneira apropriada, indicando se as diferenças observadas entre grupos são provavelmente reais ou meramente decorrentes do acaso (Witte e Witte, 2005). Para esta análise, foi adotado um grau de confiança igual a 95%. 4.1 Estatística Descritiva Verifica-se a partir dos dados mostrados na Tabela 3 que os valores dos parâmetros pressiométricos E p e P L possuem expressiva variabilidade. A tendência observada foi o crescimento dos valores com grande intensidade na região do depósito arenoso aonde o solo tem maior compacidade (4 m a 7 m). Pelo teste Kolmogorov-Smirnov, pode-se afirmar com 95% de confiança que os dados seguem uma distribuição normal, pois os valores críticos superam os valores testados, possibilitando desta forma o uso da estatística paramétrica. Tabela 3 Parâmetros da estatística descritiva. Estatística M.Pressiométrico(E P ) P. Limite (P L ) Descritiva PF ID PF ID Média 7,35 18,75 0,92 1,21 Moda Amodal Amodal Amodal Amodal Mediana 5,40 8,30 0,72 0,96 Variância 30,89 303,47 0,35 0,37 D.Padrão 5,54 17,42 0,59 0,61 C.Variação 75,37 92,90 64,30 50,27 Máximo 19,02 47,39 2,47 2,51 Mínimo 2,53 3,89 0,36 0,44 Amplitude 16,49 43,50 2,11 2,07 Assimetria 1,33 0,96 1,99 0,82 Curtose 0,36-1,13 3,56-0,12 Kolmogorof 0,34 0,35 0,30 0,20 (valor do teste) Kolmogorof 0,36 0,36 0,36 0,36 (valor crítico) PF = pré-duro; ID = inserção direta. 4.2 Inferência Estatística Para verificar se a forma de inserção da sonda no solo realmente causava uma modificação estatisticamente significativa, foi realizada a análise de variância para os valores de P L e E p, tomando-se por base o seguinte: Objetivo: testar o efeito do tipo de colocação da sonda nos valores de E p e de P L para o depósito de solo arenoso em estudo; Variável resposta: diferença de valores obtidos no módulo pressiométrico e na pressão limite; Ensaios: pré-furo e cravação dinâmica ou inserção direta. Os códigos dos grupos analisados foram: 1 - Ensaios nos furos (1) com uso do pré-furo (Grupo 1); 2 - Ensaios nos furos (2) com uso da inserção dinâmica (Grupo 2) Análise de Variância para P L Como a expressiva dispersão dos dados prejudicou a análise gráfica, restou como alternativa proceder-se uma análise de variância para se poder atingir o objetivo desejado na pesquisa, que foi verificar se as diferenças de valores entre os grupos são reais ou meramente decorrentes do acaso. Nesta análise, foram usadas as seguintes hipóteses: Ho (hipótese nula): as quatro médias são iguais; H1 (hipótese alternativa): pelo menos uma média difere. α =0,05 (nível de significância de 5%). Os resultados da análise de variância estão apresentados na Tabela 4. Da tabela observa-se que como o valor do F é menor que o valor do F crítico, pode-se afirmar com 95% de certeza que não existe diferença estatística significativa entre as médias. Dessa forma, é aceita a hipótese nula, concluindo-se que as médias são estatisticamente iguais, e as variações existentes são meramente decorrentes do acaso.

6 Tabela 4 Análise de Variância para a Pressão Limite. Fonte da variação SQ GL MQ F F crítico Entre grupos 0,56 1 0,56 1,54 4,25 Dentro dos grupos 8, ,36 Total 9,24 25 GL Grau de liberdade; SQ Soma de Quadrados; MQ Quadrados Médios Análise de Variância para E p Nesta análise, as hipóteses foram às mesmas admitidas para o caso da P L. Os resultados da análise de variância estão apresentados na Tabela 5. Da Tabela 5, observa-se que o valor F é maior que o valor do F crítico, ou seja, é aceita a hipótese alternativa. Dessa forma, se pode afirmar com 95% de certeza que as médias são estatisticamente diferentes e as variações existentes são reais. Tabela 5 Análise de Variância para os valores de E P. Fonte da variação SQ GL MQ F F crítico Entre grupos 844, ,95 5,05 4,26 Dentro dos grupos 4012, ,21 Total 4857,92 25 GL Grau de liberdade; SQ Soma de Quadrados; MQ Quadrados Médios. 5.0 CONCLUSÕES i) Para cravar a sonda do PMT no terreno por inserção direta, adaptando-se o sistema de percussão do SPT, tornou-se necessária à utilização de um revestimento protetor mais resistente para a sonda, pois o desgaste do material (borracha) é bem acentuado. Foi constatado que as fendas do tubo lanterné que recobre a sonda de borracha, protegendo-a das partículas granulares do solo, desgastam muito rápido o revestimento de borracha da sonda, no interior do tubo. ii) Da análise dos parâmetros pressiométricos, no que se refere ao módulo de elasticidade (E P ), observou-se que o grau de perturbação no solo (compactação ou alívio de tensões) influencia na grandeza dos seus valores. Houve um notável acréscimo nos valores devido ao processo de compactação, principalmente nas camadas com maior compacidade (no horizonte situado entre 4 m e 7 m houve um aumento muito significativo). iii) Com relação ao parâmetro P L, a perturbação do solo causada pelo processo dinâmico de cravação não teve influência significativa na ordem de grandeza dos seus valores, em comparação com os resultados obtidos em préfuro. iv) A partir de uma análise estatística descritiva realizada com os dados, ficou evidenciada uma grande variabilidade entre os valores da P L e do E p, sendo esta variabilidade mais acentuada nos trechos do perfil onde o solo é mais compacto. O módulo pressiométrico foi quem apresentou a maior variabilidade, conforme ficou evidenciado nos valores do coeficiente de variação. v) As análises de variância indicaram que as variações observadas com P L decorreram do acaso, ao contrário do que ocorreu com os valores de E p, em que tais variações podem ser atribuídas aos fatores reais do solo ensaiado, com 95% de certeza. REFERÊNCIAS ABNT (2001), NBR 6484: Solo Sondagens de Simples Reconhecimento com SPT, 17p. ASTM D 4719 (1987), AMERICAN SOCIETY FOR TESTING OF MATERIALS, Standard Test Method for Pressuremeter Testing in Soil, Annual Book of Standard, v.04.08, New York. BRIAUD, J.L. (1992), The Presurremeter, Trans Tech Publications, A.A Balkema, Roterdã, 322p. MEDEIROS, J.L.G. (1998), Estudo do Comportamento Tensão-Deformação de um Depósito Arenoso da Cidade de João Pessoa Através do Pressiômetro Ménard, Dissertação de Mestrado, UFPB, Campina Grande PB, 74p. PAIVA,W. (2000), Influência do Processo de Instalação da Sonda nos Resultados de Ensaios com Pressiômetro Ménard, Dissertação de Mestrado, UFPB, Campina Grande-PB, 128p. PAIVA,W., CONCIANI, W e BEZERRA, R, L.(1999), Estudo Comparativo Entre os Parâmetros Mecânicos com Pressiômetro de Sondas Briaud e Ménard, I Encontro de Pós-Graduandos da UFPB, João Pessoa PB, p. 14. YU, H.S. and HOULSBY, G.T. (1991), Finite Cavity Expansion in Dilatant Soils: Loading Analysis, Geotéchnique, v.41,n.2, pp Witte, R. and Witte, S, J.(2005), Estatística: tradução realizada por Tereza Cristina Padilha de Souza, LTC- Rio de Janeiro, 486p.