Estudo de correlação entre ensaios penetrométricos estáticos e dinâmicos

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1 Estudo de correlação entre ensaios enetrométricos estáticos e dinâmicos Jeselay Hemetério Cordeiro dos Reis Universidade Estadual de Maringá, Maringá, Brasil, Pedro Paulo Michelan Universidade Estadual de Maringá, Maringá, Brasil, Antonio Belincanta Universidade Estadual de Maringá, Maringá, Brasil, RESUMO: Neste trabalho aresenta-se uma análise da relação entre os resultados de ensaios enetrométricos estáticos e dinâmicos realizados ara controle de comactação em aterros. Os enetrômetros rotineiramente utilizados ara a avaliação da comactação são classificados em estáticos, quando o conjunto é ressionado contra o solo, medindo-se a força de rutura na base ou resistência de onta; e dinâmicos, quando uma haste com onta cônica enetra no solo em decorrência do imacto de um eso que cai em queda livre de uma altura constante. Neste trabalho, deduz-se uma relação teórica entre os resultados dos ensaios de enetração estática e dinâmica, levando-se em conta o trabalho realizado na cravação do cone e a energia otencial do martelo utilizado ara cravação. Para validação dessa relação desenvolveu-se um rograma exerimental baseado em ensaios de camo, realizados em um aterro de solo comactado, onde foram feitos ensaios enetrométricos estáticos e dinâmicos. Estes ensaios foram acomanhados da determinação da massa esecífica do solo através do método do anel, da determinação do teor de umidade e da retirada de amostras indeformadas ara realização de ensaios de cisalhamento direto em laboratório. Nos ensaios enetrométricos foram utilizados um enetrômetro estático do tio SOLOTESTE e um enetrômetro dinâmico do tio SUL-AFRICANO com hastes de 15,9 mm e martelo de queda livre de 7975 g, caindo de uma altura de 60 cm. Em ambos os casos foi utilizada uma onteira cônica de 20 mm de diâmetro. Os ensaios de camo foram realizados em sete ontos ao longo do aterro, nos quais, foram demarcadas áreas quadradas de 1,2m x 1,2m, onde se executou em cada área, 3 séries de ensaios de enetração estática, três séries de enetração dinâmica e foram retiradas três amostras do tio indeformada. O solo do aterro consiste em uma argila siltosa com limite de lasticidade de 36%, limite de liquidez de 58 % e ρ d.max igual a 1,492 g/cm³ e w ót igual a 29,5%, ρ d.max igual a 1,567 g/cm³ e w ót igual a 27,2%, ara energia de comactação normal e intermediária, resectivamente. Os ensaios de cisalhamento direto foram realizados com tensões normais de 50 kpa, 125 kpa e 200 kpa. Os resultados obtidos e suas disersões demonstram a validade da correlação roosta. PALAVRAS-CHAVE: Correlação entre ensaios estáticos e dinâmicos, ensaios enetrométricos, controle de comactação. 1 INTRODUÇÃO Toda obra de engenharia está intimamente ligada ao terreno onde ela está situada, assim sendo, seu bom desemenho deende fundamentalmente do conhecimento das rinciais características físicas e mecânicas do solo e de como será realizada a transmissão dos esforços da estrutura ara o mesmo. Em obras de avimentação, essa reocuação ocorre tanto ara o maciço de fundação (sub-leito) quanto ara a estrutura do avimento (base e sub-base). A caracterização dessas roriedades no local da obra é realizada através do controle de comactação, no qual, tradicionalmente, se utilizam métodos ara medida de densidade do 1

2 solo no camo (frasco de areia ou anel de cravação) e métodos ara medida da umidade do solo no camo (fogareiro ou estufa). Em alguns casos é realizada também a determinação do Califórnia Bearing Ratio - CBR. Sabe-se que em uma obra de avimentação, faz-se necessário o constante monitoramento das características físicas e mecânicas do solo com o decorrer da obra. Entretanto, os métodos suracitados se mostram algumas vezes inviáveis devido aos seus longos rocessos e custos relativamente altos. Fatos como esses, fazem com que algumas obras sejam realizadas sem os devidos controles de qualidade. Uma alternativa ara se fazer o controle de comactação de camadas de avimentos é o uso dos chamados enetrômetros, que odem ser do tio estático e dinâmico. O enetrômetro estático se constitui de uma sonda, geralmente cônica, que é cravada no solo. A carga máxima necessária ara a tal rocesso é marcada em um indicador na arte suerior do equiamento e ode ser gerada mecanicamente ou com o rório eso do técnico. O enetrômetro dinâmico constitui-se de uma sonda, geralmente cônica, cravada no solo através de imacto de um martelo de queda livre, gerando uma energia conhecida, e fornece como arâmetros de resistência à enetração o número de goles necessários à mesma. A grande vantagem dos ensaios enetrométricos em relação aos usados tradicionalmente é a agilidade que aqueles fornecem à equie de controle, ossibilitando assim, a execução de um maior número de ensaios, enquanto, a desvantagem do uso desses ensaios consiste no fato das relações entre seus resultados e os arâmetros de controle de comactação e CBR serem emíricas e aresentarem grande variabilidade entre os valores medidos. Assim sendo, neste trabalho aresenta-se uma análise da relação teórica entre os resultados de ensaios enetrométricos estáticos e dinâmicos considerando as diferentes condições de comactação, teor de umidade do solo e resistência ao cisalhamento. A comrovação da validade das relações teóricas aqui aresentadas é demonstrada a artir de uma camanha de ensaios de camo e laboratório na qual foram realizados ensaios enetrométricos estáticos e dinâmicos além de ensaios de caracterização e de resistência ao cisalhamento. Comlementar a essa análise, foram realizados todos os ensaios de caracterização e de controle de comactação a artir de ensaios enetrométricos dinâmicos com medida do teor de umidade e medida da massa esecífica de camo or meio da retirada de amostras com anel de aço. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Penetrômetros Os enetrômetros rotineiramente utilizados ara a avaliação da comactação são denominados em função do rincíio de enetração, de estáticos, em que o conjunto é ressionado contra o solo, e a força de rutura na base ou resistência de onta (r ) é registrada em um dinamômetro; e dinâmicos, em que a haste enetra no solo em decorrência do imacto de um eso que cai em queda livre de uma altura constante (STOLF, 1991). Os enetrômetros estáticos são geralmente constituídos de uma sonda cônica que enetra no solo gerando a resistência de onta, uma haste metálica de enetração e um sistema de medição de força, odendo ser eletrônico ou através de anel elástico e dinamômetro. Desenvolvido ara determinação da resistência de base de fundações diretas, hoje ossui vasta utilização na engenharia agrícola e na área de avimentação, onde são usados ara determinação do grau de comactação do solo. Scala (1956) desenvolveu o Penetrômetro Scala ara avaliar no camo o Califórnia Bearing Ratio (CBR) de solos coesivos. Na última década, o Penetrômetro Scala foi melhorado tornando-se o ensaio enetrométrico dinâmico de cone (DCP), ara determinação in situ do CBR e módulo de elasticidade. O DCP é atualmente usado de forma extensiva em aíses como a África do Sul, o Reino Unido, os Estados Unidos e Austrália entre outros, ois tem se mostrado um método simles, econômico e caaz de mostrar de forma ráida 2

3 índices de resistência e indiretamente módulos de elasticidade de camadas de solo (EDIL e BENSON, 2004). O DCP é usado ara medir a resistência à enetração do material, sendo esta resistência exressa em termos de enetração or gole. O DCP do tio Scala é comosto or um martelo de 8 kg que com uma altura de queda de 575 mm gera uma energia de 45J ou 14,3 J/cm², uma onteira cônica de diâmetro, na base de 20 mm e ângulo do vértice variando de 60 a 65. A haste de enetração tem um diâmetro menor que o do cone de modo a evitar o atrito lateral. A relação entre o número de goles e a rofundidade enetrada fornece o Índice de Penetração (IP) que ode ser relacionado com outros arâmetros tais como o CBR e o módulo de elasticidade. O DCP tem sido usado como uma conveniente ferramenta de camo. No entanto, é imortante lembrar que ele não é um ensaio que mede a roriedade diretamente e sim, um ensaio que nos fornece índices ara serem relacionados através de correlações com outros arâmetros do solo. Essas relações, no entanto, aresentam grande disersão dos resultados, além de não resultarem no controle direto da comactação or não se relacionar com o grau de comactação. Para melhorar a qualidade e diminuir a disersão no controle de comactação, Belincanta e Reis (2008), sugerem uma correlação direta entre grau de comactação e índice de enetração de tal modo que, quanto maior for a massa esecifica seca, mais denso estará o solo e, conseqüentemente, menor deve ser a enetração or gole. 2.2 Relação entre resistência estática e dinâmica Tsuha (2003), estudando a relação entre a enetração estática e os resultados de rovas de carga em laca, identificou uma correlação linear entre a caacidade de carga ( r ) e a resistência de onta unitária medida com enetrômetro estático (r ). No entanto, essa relação foi desenvolvida ara solos de baixa caacidade de carga. Em solos de alta caacidade carga, a utilização de enetrômetros estáticos fica limitada devido à força necessária ara cravá-los. Essa limitação é facilmente suerada com a utilização de enetrômetros dinâmicos, necessitando aenas de métodos confiáveis ara se obter a resistência estática em função do Índice de Penetração (IP) Resistência Estática Para calcular a caacidade de carga de saatas, Terzaghi (1943) aresentam a Equação (1) ara saata circular com diâmetro B embutida em um solo comacto ou rijo: r 1,3 c Nc q N q 0,6 B N (1) 2 onde σ r é a tensão de rutura ou caacidade de carga do solo; c é a coesão do solo; q é a sobrecarga de solo acima do nível da base; γ é o eso esecífico do solo; B é o diâmetro da base da saata embutida no solo; N c, N q e N γ são fatores de caacidade de carga referentes à coesão, à sobrecarga e ao eso esecífico do solo, resectivamente. Os fatores 1,3 e 0,6 são fatores que levam em consideração a forma da área base da saata, nesse caso, circular Resistência Dinâmica A resistência dinâmica mobilizada em cada gole do martelo é roorcional à energia otencial alicada ao sistema. De forma geral, elo rincíio de conservação de energia, a energia otencial do martelo é igual ao trabalho realizado durante a cravação do enetrômetro. Considerando que o diâmetro das hastes é inferior ao diâmetro da onteira, ode-se desconsiderar o atrito lateral de modo que a relação entre resistência mobilizada em um gole do martelo é reresentada ela Equação 2. r m. g. H A S (2) onde: S é o deslocamento ermanente (Nega) ara um gole do martelo; r é a resistência de onta unitária mobilizada; A é área da onta; m 3

4 é a massa do martelo; g é a aceleração da gravidade e H é a altura de queda do martelo. A ISSMFE (1989) alerta que o uso da Equação 2 deve ser feita com cautela, uma vez que a exressão não reresenta o comortamento mecânico real do sistema or não levar em consideração o seu rendimento e a energia gasta com a deformação das hastes Relação entre Resistência Estática e Dinâmica Segundo Aoki et al. (2004), a relação entre a resistência estática e dinâmica ode ser interretada através do estudo entre a energia estática e dinâmica na cravação. Admitindo-se válido um modelo elastolástico erfeito ara a curva cargadeslocamento (Figura 1), obtida no ensaio dinâmico, a resistência dinâmica mobilizada em cada gole do martelo é roorcional à energia otencial alicada ao sistema, onde Ru é a resistência última (Força); D é o deslocamento total; S é o deslocamento ermanente (Nega); K é o deslocamento recuerável (Reique); E FD é a energia estática (energia de deformação mais o trabalho de enetração). dinâmica gasta durante a cravação varia entre 0,7 e 0,9 (AOKI et al., 2004). Utilizando-se o valor intermediário 0,8 ara a relação descrita, obtém-se: E 0, 8 (4) FD E MX onde, E FD é a energia estática; EMX é a energia dinâmica. A energia no início da cravação é admitida igual à energia otencial do martelo em queda livre, menos a energia gasta elo sistema de alicação do carregamento quantificada elo coeficiente de rendimento (eficiência) η do sistema: E MX H W (5) onde, é o coeficiente de rendimento; H é a altura de queda; W é o eso do martelo; E MX é a energia dinâmica de cravação. Isolando R u na Equação 3, chega-se à Equação 6 R u EFD 2 (6) ( D S) Substituindo a Equação 4 na Equação 6 tem-se R u em função de E MX, (Equação 7). R u 0,8 EMX.2 (7) ( D S) Substituindo o valor de E MX na Equação 7 chega-se à Equação 8. Figura 1. Curva carga-deslocamento modelo de SMITH (CHELLIS, 1961). A energia E FD é numericamente igual à área sob a curva carga deslocamento (Equação 3). E FD D S Ru 2 (3) A relação entre a energia estática e a energia R u 1,6 H W ( D S) (8) Considerando a eficiência dinâmica η em torno de 60 % (AOKI et al., 2004) e o valor de K<<S, tem-se a Equação 9. R u 1,6 0,60 H m g 2 D (9) 4

5 Sabendo-se que, nos casos de interretação da cravação do enetrômetro dinâmico a resistência lateral é nula, tem-se que a força resistente R u é comosta somente ela resistência de onta. Logo: r A 0,48 H m g S (10) Isolando-se r na equação anterior chega-se à Equação 11. r 0,48 H m g 1 (11) A S Considerando a arcela que multilica 1/S é constante e sabendo-se que S é o deslocamento ermanente ara cada gole e, ortanto, igual ao índice de enetração IP, chega-se à Equação r cte (12) IP 3 MATERIAS E MÉTODOS Para a verificação da validade das relações aresentadas, desenvolveu-se um rograma exerimental baseado em ensaios de camo e laboratório. Os ensaios de camo foram realizados em um aterro de solo comactado e consistiram em ensaios enetrométricos estáticos e dinâmicos, acomanhado da determinação da massa esecífica do solo no camo através do método do anel, da umidade do solo e da retirada de amostras indeformadas ara realização dos ensaios de Laboratório. Os ensaios de laboratório consistiram em ensaios de cisalhamento direto realizados em amostra de solo comactado no camo Equiamentos e métodos de ensaios Nos ensaios enetrométricos de camo foram utilizados dois enetrômetros, um estático e um dinâmico. O enetrômetro dinâmico utilizado é comosto de haste de enetração com 83,8 cm de comrimento, 1,59 cm de diâmetro e 2149 g de massa; haste guia com 89,7 cm de comrimento, 1,59 cm de diâmetro e 2073 g de massa que ermite altura de queda do martelo de 60 cm; cabeça de bater com 6,0 cm de comrimento e 5,1 cm de diâmetro; unho com 13,0 cm de comrimento; laca de nivelamento e suorte com 7,6 cm x 22,1 cm e um furo de 3,0 cm de diâmetro, régua e aoio ara a haste de enetração, além de ser dotado de um martelo com 7975 g. O enetrômetro estático utilizado ossui haste de enetração com 49,0 cm de comrimento, 19,0 mm de diâmetro e 1044,2 g de massa; sistema de aoio e medição de ressão com 30 cm de comrimento e 2161 g de massa e anel dinanométrico com limite ara 100 kgf. Tanto nos ensaios de enetração estáticos, quanto nos ensaios de enetração dinâmicos foi utilizada a mesma onteira cônica com diâmetro de 20 mm e ângulo interno do vértice de 65º como mostra a Figura 2. Os ensaios de camo e a coleta de amostras foram realizados em um aterro comactado localizado no Camus Sede da Universidade Estadual de Maringá (UEM), em sete (07) ontos distribuídos em uma área de 600 m 2. Figura 2. Detalhe da onteira e suas dimensões. Em cada onto, foi delimitada uma área quadrada de 1,2 m de lado, retirada uma camada suerficial de 10 cm e em seguida realizados três ensaios enetrométricos dinâmicos, três ensaios enetrométricos estáticos e or último foram retiradas três amostras indeformadas utilizando anéis metálicos de 100 mm de diâmetro, a artir das quais foram medidos os valores de massa esecífica de camo, teor de umidade do solo e talhados coros de rova utilizados em ensaios de cisalhamento direto. Nos ensaios de enetração estáticos, a 5

6 resistência de onta unitária (r ) foi calculada como a média entre três valores da carga de rutura R u medida em cada onto, dividida ela área da base do cone (Equação 14). R u r (14) A Nos ensaios de enetração dinâmicos, o índice enetração IP foi determinado a artir da média entre os três valores do número de goles necessários ara rovocar a enetração de 10 cm (Equação 15). obtida com energia intermediária são 1,567 g/cm³ e 27,2%, resectivamente. 4 RESULTADOS A Tabela 1 mostra o resumo dos resultados dos ensaios enetrométricos estáticos e dinâmicos, cisalhamento direto, massa esecífica de camo e teor de umidade. Tabela 1. Resultados dos ensaios enetrométricos estáticos e dinâmicos, cisalhamento direto, massa esecífica de camo e teor de umidade. cm IP 10 (15) N ontos ρn Médio* (g/cm 3 ) w (%)* ρd Médio* (g/cm 3 ) c' (kpa) ' () r camo* (MPa) IP camo* (cm/gole) Substituindo, ara o enetrômetro dinâmico utilizado, seus valores de altura de queda (H), massa do martelo (m), aceleração da gravidade (g) e área da onta (A ) na Equação (11), obteve-se a Equação 16 ara cálculo da resistência estática (r ) em função do índice de enetração IP. 1 r (16) IP A envoltória de resistência ao cisalhamento de cada onto foi obtida or meio de ensaios de cisalhamento direto realizados nas três amostras indeformadas coletadas com ressões normais de 50 kpa, 125 kpa e 200 kpa Solo estudado O solo utilizado neste trabalho é característico das regiões de too e alta vertente da cidade de Maringá/PR e se constitui de uma camada suerficial de solo evoluído do tio Latossolo Vermelho distroférrico (GUTIERREZ E BELINCANTA, 2004). Classificado como Argila Siltosa, ossui uma fração de 72% de argila e 28% de silte, massa esecífica dos sólidos de 3,03 g/cm 3, Limite de Liquidez de 58% e Limite de Plasticidade de 36 %. A massa esecífica seca máxima (ρ d.max ) obtida com energia normal e o teor de umidade ótimo (w ót ) são 1,492 g/cm³ e 29,5%, resectivamente, e 1 1,68 32,7 1,27 45,1 34 2,684 3,29 2 1,76 32,2 1,33 39,9 33 2,176 3,35 3 1,58 33,3 1,19 27,8 35 2,490 3,74 4 1,82 31,3 1,38 46,2 32 2,677 2,65 5 1,68 32,4 1,27 40,1 34 2,617 2,79 6 1,78 30,4 1,37 51,1 32 2,791 2,48 7 1,82 30,8 1,39 108,7 20 2,835 2,37 Nota:* valores médios entre os três valores medidos. A Figura 03 mostra a comaração da resistência de onta unitária estática medida (r ) com o índice de enetração (IP) em cada onto. O ajuste dos ontos or uma equação linear do tio reresentado na Equação 12 forneceu uma equação ara cálculo de r em função de IP dada or: 1 r (17) IP 6

7 sendo a constante de roorcionalidade dada em MPa.m, o IP em m/gole e o r obtido em MPa. Nota-se que o valor teórico ara a constante de roorcionalidade da Equação 16 foi de 0,072 MPa.m, raticamente igual, ao valor de 0,074 MPa.m obtido com o melhor ajuste dos resultados exerimentais, comrovando que, a relação teórica ara cálculo da resistência de onta unitária (r ) em função do índice de enetração (IP) reresenta bem os resultados exerimentais. Segundo Aoki e Veloso (1975) a relação entre a resistência de onta medida com ensaio de CPT (q c ) e a resistência de onta unitária da base de uma fundação é 1,75 (Fator F 1 ), se considerar uma fundação metálica. Fazendo-se uma analogia da resistência de onta do enetrômetro e com o a do ensaio de CPT e a caacidade carga calculada ela Equação 1 com a resistência de onta unitária da base de uma fundação e sabendo-se que a onteira utilizada no enetrômetro tem diâmetro menor que a do cone do CPT, a ocorrência de um coeficiente de roorcionalidade igual 2 ara relações entre a resistência de onta unitária medida com o ensaio enetrométrico e a calculada com a Equação 1 é lenamente justificada. 5 CONCLUSÕES Figura 3. Resistência de onta unitária estática medida no camo or índice de enetração. Ao avaliar a resistência de onta medida com enetrômetro estático em comaração com a caacidade de carga calculada ela Equação 1, verifica-se que a resistência estática de onta medida com o cone é aroximadamente duas vezes maior que o valor corresondente calculado com a Equação 1 (Figura 4). Figura 4. Comaração entre resistência de onta unitária estática medida no camo e a caacidade de carga calculada ela fórmula de Terzaghi (1943) multilicada or um fator 2. A comaração entre resistência de onta medida e calculada através da fórmula clássica de caacidade de carga roosta or Terzaghi (1943) corrigida com um fator 2 (dois) mostrou uma equena disersão entre os resultados. Esse fator dois rovavelmente ossa ser atribuído ao efeito de escala ou diferença das dimensões da base do cone usado no enetrômetro e da base de uma fundação em escala real ara qual a exressão de Terzaghi (1943) foi desenvolvida. A relação teórica da resistência de onta medida com enetrômetro estático em função do índice de enetração se mostrou válida, rincialmente, elo fato de ser uma equação obtida a artir da dedução teórica que foi raticamente igual à obtida através do ajuste matemático dos resultados exerimentais. Dessa forma, a determinação de uma relação teórica que leve em conta o trabalho realizado na cravação do cone e a energia otencial roduzida elo martelo durante a cravação é extremamente útil devido a ossibilidade de uso da exressão ara outros modelos de enetrômetros dinâmicos, com modelos cones e sistema de cravação diferentes. 7

8 AGRADECIMENTOS Agrademos ao coro técnico do Laboratório de Mecânica dos Solos da Universidade Estadual de Maringá (UEM) ela realização dos ensaios. REFERÊNCIAS Aoki, N.; Velloso, D. A. An aroximate method to estimate the bearing caacity of iles. In: PANAMERICAN CONF. ON SOIL MECH. AND FOUND. ENGNG., 5., Buenos Aires, Aoki, N.; Neves, L. F. S.; Esquivel, E. R.; Cintra, J. C. A.. Prova de carga estática no amostrador SPT ara obtenção da eficiência e da resistência estática em solo arenoso. São Paulo: Revista Solos e Rochas, Volume 27, Nº 2, Belincanta, A.; REIS, J. H. C.. Avaliação do uso de enetrômetro dinâmico de cone ara controle de execução das fundações de avimentos rodoviários. Maringá, Chellis, R. D. Pile Foundation. McGraw-Hill Book Comany, Kogakusha-Nova Yok-Tokyo, 2nd ed., Edil, T. B.; Benson, C. H. Investigation of soil stiffness gauge and dynamic cone enetrometer for earthwork roerty evaluation. Wisconsin: University of Wisconsin-Madson, Gutierrez, N. H. M.; Belincanta, A.. Características básicas dos solos constituintes do subsolo da Cidade de Maringá: locais de alta e média vertente.. In: IV Simósio de Prática de Engenharia Geotécnica da Região Sul (GEOSUL 2004), 2004, Curitiba PR. Curitiba PR : ABMS - Núcleo Regional do Paraná e Santa Catarina, v INTERNATIONAL SOCIETY FOR SOIL MECHANICS AND FOUNDATION ENGINEERING. (ISSMFE). Reort of de technical committee on enetration testing of soil TC 16. Swedish Geotechnical Institute. Linkoing, Sweden Scala, A. J., Simle methods of flexible avement desing using cone enetrometer. New Zealand Engineering, Vol. Nº 2, Stolf, R. Teoria e teste exerimental de fórmulas de transformação dos dados de enetrômetro de imacto em resistência do solo. Revista Brasileira de Ciência do Solo, Caminas, v.15, n.2, Terzaghi, K. Theoretical soil mechanics. New York: John Wiley and Sons Co, Tsuha, C. de H. C. Utilização de enetrômetro manual em solo colasível e comaração com resultados de rovas de carga em laca e em saata. São Carlos: Universidade de São Paulo,

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