MECÂNICA DOS SOLOS I (TEC00259) Investigações Geotécnicas. Prof. Manoel Isidro de Miranda Neto Eng.Civil, DSc

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1 MECÂNICA DOS SOLOS I (TEC00259) Investigações Geotécnicas Prof. Manoel Isidro de Miranda Neto Eng.Civil, DSc

2 Todo PROJETO GEOTÉCNICO envolve, de algum modo, a INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA (NBR Projeto Geotécnico) 2

3 Por quê? Porque desejamos caracterizar o material, por exemplo: na avaliação de uma Jazida. Para inferir propriedades mecânicas do material, por exemplo, sob carregamento externo: 1) quanto resiste? 2) quanto irá se deformar? 3) quanto tempo levará para a estabilização? Para conhecer o meio físico, por exemplo, o subsolo. 3

4 O Processo de Investigação Abordagem Prescritiva: Quando há normas ou regulamentos que condicionam o processo de investigação. Por exemplo a NBR 8036 Programação de Sondagens de Simples Reconhecimento dos Solos para Fundações de Edifícios estabelece um mínimo do uma sondagem para cada 200 m 2 de área da projeção em planta do edifício, sendo no mínimo duas. Abordagem por Desempenho: São realizadas investigações por fases em um processo de descoberta progressiva selecionando-se zonas para um melhor detalhamento. Por exemplo, em Investigações Geombientais sobre uma área contaminada e se deseja refinar o conhecimento sobre a natureza e a distribuição do contaminante na área. 4

5 Tipos de Investigação Investigações de reconhecimento: Tem como objetivo determinar a natureza das formações locais para a escolha das áreas mais adequadas à instalação de um projeto. Inclui mapas geológicos e pedológicos, aerofotogrametria, visitas aos locais e eventuais sondagens. Exploração para anteprojeto: Realizadas nos locais indicados na etapa anterior, permitindo a escolha de soluções tais como: escolha do tipo de fundação, classificação e capacidade de uma jazida. Exploração para projeto executivo: Destina-se a complementar as informações geotécnicas disponíveis, visando a solução de problemas do projeto executivo. Ex.: sondagens por estaca (1 em cada estaca?) para cálculo do comprimento de cravação. Exploração durante a construção: Realizada quando surgem problemas não previstos nas etapas anteriores. 5

6 A NBR-6497 Levantamento Geotécnico fixa as condições gerais da investigação geotécnica em projetos de engenharia por meio de estudos: Preliminares sobre a área de interesse do projeto; e Detalhados em geologia de engenharia, engenharia de solos e engenharia de rochas. 6

7 Os estudos de geologia de engenharia envolvem: A morfologia do terreno e a distribuição espacial das estruturas geológicas; A classificação petrográfica e a gênese das formações; Feições geológicas específicas e o perfil do intemperismo; e As condições hidrológicas de superfície e de subsuperfície (condições hidrogeológicas). 7

8 Os estudos de engenharia de solos envolvem: A natureza do maciço terroso; O posicionamento espacial das diversas camadas; Os parâmetros físicos e mecânicos e suas variações espaciais; e A posição do nível d água e sua variação no tempo. 8

9 Os estudos de engenharia de rochas envolvem: A natureza do maciço rochoso; O posicionamento espacial das diversas unidades geológicas; Os parâmetros físicos e mecânicos e suas variações espaciais; e A hidráulica do maciço e sua variação no tempo. 9

10 O Levantamento Geotécnico pode envolver: Mapeamento geológico, topográfico e hidrográfico; Sondagens geotécnicas e prospecções geofísicas; Abertura de poços, trincheiras ou galerias; Coleta de amostras representativas; e Execução de ensaios no Campo e em Laboratório; 10

11 Sondagens Geotécnicas Sondagem com avanço a trado; Sondagem com avanço por circulação de água; Sondagem rotativa; e Sondagem mista. 11

12 Sondagem a trado (NBR9603) Finalidade: coleta de amostras deformadas, determinação da profundidade do nível d água e identificação dos horizontes do terreno; Emprega-se o trado cavadeira (tipo concha) ou trado helicoidal; Realizado em solos não saturados, friáveis mas consistentes; Amostras devem ser adequadamente identificadas e acondicionadas; Os resultados devem ser anotados em boletim de campo e apresentados em relatório. 12

13 Trados 13

14 Trado 14

15 Sondagem de simples reconhecimento com SPT (NBR6484) Finalidades: (i) coleta de amostras deformadas; (ii) determinação da profundidade do nível d água; (iii) identificação dos horizontes do terreno; e (iv) obtenção do índice de resistência a penetração N SPT. 15

16 Equipamento SPT 16

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21 Sondagem de simples reconhecimento com SPT - Procedimento Identificação e locação dos furos de sondagens; Avanço inicial com trado até encontrar o nível d água seguido de avanço por circulação de água na região saturada ou em solos mais resistentes; Execução do ensaio SPT e coleta de amostras a cada metro utilizando o amostrador padrão; Profundidade da sondagem especificada pelo cliente ou até o impenetrável (condições previstas na norma). Os resultados devem ser anotados em boletim de campo e apresentados em boletim de sondagem. 21

22 Standard Penetration Test (SPT) A perfuração é iniciada com o trado até 1 m e instalado o tubo de revestimento. A partir daí troca-se a ferramenta de perfuração no segmento final da composição de haste pelo amostrador padrão e efetua-se o primeiro SPT. O ensaio consiste em contar o número de golpes do martelo de 65 kg em queda livre de 75 cm sobre a cabeça de bater, até a penetração de 45 cm de toda a composição de hastes, contados em três trechos iguais de 15 cm. O amostrador padrão é bipartido para permitir a retirada de amostras do solo que ingressa no interior do amostrador durante sua cravação. O índice de resistência a penetração denotado por N SPT ou N ou SPT é obtido pela soma do número de golpes do martelo para penetração dos 30 cm finais. A sondagem prossegue com avanço até o segundo metro onde é feita a limpeza do furo e novo ensaio SPT. E assim para cada metro de avanço. 22

23 Standard Penetration Test (SPT) É obrigatória a descida do revestimento quando as paredes do furo se mostrarem instáveis. Em casos especiais, pode-se estabilizar o furo com lama. Quando a perfuração com trado ficar difícil deve ser adotada a perfuração com circulação de água utilizando-se o trépano de lavagem e uma bomba. O N SPT pode ser representado por uma fração, sendo, por exemplo, H/65 indicativo que pelo peso próprio da cabeça de bater, composição de hastes e amostrador houve penetração de 65 cm do conjunto; P/55 indicativo que pelo apoio suave do martelo (65 kg) na cabeça de bater, composição de hastes e amostrador houve penetração de 55 cm do conjunto; 1/48 indicativo que por apenas um golpe houve penetração de 48 cm do conjunto. 50/30 indicativo que dados 50 golpes houve penetração de 30 cm do conjunto. Um dos critérios de paralização do ensaio. 23

24 SPT 24

25 SPT 25

26 SPT - T O N SPT é um índice de resistência à penetração que pode ser correlacionado com algumas propriedades do solo como consistência ou compacidade e também com o ângulo de atrito. Com a realização das medidas de torque durante o SPT, este passa a ser denominado SPT-T (Ensaio SPT com Medida de Torque). Uma de suas principais características é a possibilidade da determinação estática, com baixo custo adicional, de uma medida de resistência (T), o que não ocorre no SPT, já que a medida de resistência (N SPT ) é obtida por um processo dinâmico. 26

27 Classificação com base no N SPT (NBR6484 e 7250) 27

28 Exemplo de classificação base N SPT Prof. 1 os 15 2 os 15 3 os 15 Tipo de N (m) Golpes golpes golpes SPT Solo 1, Areia Argilosa 2, Areia Argilosa 3,00 P/ Argila 4,00 P/ Argila 5, Silte Arenoso 6, Areia 7,00 1/100 Argila 8, Silte 9, Areia 10, Argila Compacidade/ Consistência 28

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30 Fonte: 30

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32 Aplicações do Índice de Resistência à penetração N SPT O N SPT tem aplicações relacionadas com a previsão da tensão admissível do solo em projetos de fundações e, por meio de correlações empíricas, com outras propriedades geotécnicas (e.g., ângulo de atrito, densidade relativa). Essas correlações são estabelecidas para condições particulares e especificas, com a expressa limitação de uso por parte dos autores, mas acabam extrapoladas na prática, muitas vezes de forma não apropriada. Deve-se atentar para o fato de que os resultados de ensaios SPT realizados em um mesmo local podem apresentar dispersão significativa. Outra aplicação é na identificação dos horizontes do subsolo, normalmente obtida combinando a descrição do testemunho de sondagem com as medidas de N SPT, como previsto na NBR7250 Identificação e descrição de amostras de solo obtidas em sondagens de simples reconhecimento, com vistas a elaboração de perfis geotécnicos ; A NBR7250 preconiza a identificação visual tátil envolvendo a textura, cor, compacidade ou consistência, plasticidade e origem; 32

33 Critério de paralisação NBR 6484 Impenetrável à percussão Houver penetração nula em uma sequência de 5 golpes do martelo; No processo de circulação de água, forem obtidos avanços inferiores a 5 cm em cada período de 10 minutos, ao longo de 30 minutos; Em 3 m sucessivos se obtiver N SPT > 45/15 Em 4 m sucessivos se obtiver N SPT entre 45/15 e 45/30 Em 5 m sucessivos se obtiver N SPT entre 45/30 e 45/45 33

34 Os PRÓS e CONTRAS do SPT VANTAGENS Utilização em quase todas as partes do mundo; Procedimento do ensaio é simples de seguir; Equipamento simples e portanto, versátil, barato e robusto; Obtenção de amostra representativa (amolgada); Ensaio pode ser empregado em quase todos os tipos de solos e rochas alteradas (brandas); Ensaio pode ser realizado em condições adversas de clima; Baixo custo e obtenção de um valor numérico de ensaio que pode ser relacionado com regras empíricas de projetos; DESVANTAGENS Ensaio fortemente dependente da experiência e cuidados do operador (sondador); Resultados dependem do tipo de equipamento além de outros fatores. Assim, a padronização, mesmo no Brasil, mas sobretudo de país para país, não é efetiva; No Brasil, a simplicidade do ensaio tem criado um problema de confiabilidade: diversas empresas mal preparadas para realizar o ensaio, mas que os fazem a custo muito baixo. Na realidade o ensaio é simples, mas requer uma significativa dose de experiência por parte do sondador e emprego de materiais e técnicas adequados. 34

35 Sondagem Rotativa em Maciço Rochoso Muitas vezes há necessidade de conhecer a natureza do maciço rochoso dado como impenetrável na sondagem de simples reconhecimento. A Sondagem Rotativa emprega ferramenta de corte do tipo coroa diamantada ou com pastilhas de tungstênio para perfuração e recuperação de testemunhos da rocha. A análise dos testemunhos permitem a classificação do maciço rochoso por meio de um indicador de designação qualitativa de rocha (RQD Rock Quality Designation). Também é possível obter testemunhos orientados que permitam a análise do sistema de descontinuidades do maciço rochoso (e.g., juntas, fraturas, falhas). A sondagem mista é aquela que emprega a sondagem de simples reconhecimento e a sondagem rotativa. 35

36 Sondagem Rotativa Processo de Perfuração A sonda é instalada sobre uma plataforma devidamente ancorada no terreno, para se manter constante a pressão sobre a ferramenta de corte. A seguir a composição (haste, barrilete, alargador e coroa) é acoplada à sonda, colocando-se em funcionamento a bomba, que injeta um fluido de refrigeração e circulação. A sondagem consiste na realização de manobras sucessivas de movimentos rotativos do barrilete amostrador e avanço do revestimento na direção do furo. O comprimento do barrilete (1,5 a 3m) limita a manobra, sendo o mesmo alçado do furo para a recuperação dos testemunhos de rocha, obedecendo a ordem de avanço da perfuração. As hastes são tubos ocos, sem costuras, que transmitem às peças de corte os movimentos rotativos, conduzindo no seu interior a água destinada à refrigeração das peças e transporte dos detritos da perfuração. Os barriletes são tubos ocos, presos à haste, destinados a receber o testemunho de sondagem, prendendo esses através de molas, e que possuem em sua extremidade a coroa diamantada para corte. 36

37 Sondagem Rotativa 37

38 Sondagem Rotativa 38

39 Boletim RQD= (Stestemunhos > 10 cm) comprimento da manobra 39

40 Prospecção Geofísica Considerado um método indireto de investigação A propriedade de interesse é inferida a partir do exame de outra propriedade do meio. Os métodos geofísicos empregam técnicas físicas e matemáticas para identificar diferentes estruturas no meio baseando-se no contraste entre as propriedades (e.g. elásticas, elétricas, gravimétricas, térmicas). Sísmica de refração Técnica baseada no exame da propagação da onda elástica no meio. Utilizada para identificar o topo rochoso, descontinuidades e mudanças de camadas. Varredura elétrica ou sondagem elétrica Técnica baseada no exame da condutividade elétrica do meio. Utilizada para identificar ocorrência de água subterrânea, camadas de diferentes minaralogias ou plumas de contaminação. Radar de penetração no solo - GPR Técnica baseada no exame da permissividade eletromagnética do meio. Utilizada em finalidades semelhantes a sondagem elétrica. 40

41 Prospecção Geofísica Algumas técnicas podem ser invasivas ou intrusivas, ou seja, a sonda tem que penetrar no solo para efetuar a prospecção. Técnicas invasivas são limitadas ao poder de penetração da sonda no solo e aos cuidados quanto à disseminação da contaminação em investigação geoambiental. Os métodos indiretos exigem o conhecimento dos valores de referência para o meio prospectado, para se estabelecer a correlação e o contraste entre propriedades. A prospecção geofísica pode ser utilizada no monitoramento ou zoneamento de áreas. 41

42 Cone Resistivo - Ambiental Incorporação de medidores de condutividade elétrica (ou resistividade = condutividade) ao fuste do cone (Graff & Zuidberg, 1985; Robertson e outros, 1995). Resistividade elétrica é medida por um par de eletrodos montados no fuste do cone. Sabendo-se que as propriedades elétricas do solo podem variar na presença de fluidos contaminantes é possível por meio de medidas de resistividade, mapear espacialmente a extensão de áreas contaminada 42

43 Abertura de Poço e Trincheira (NBR9604) A escavação de poço e de trincheira são destinadas a coleta de amostras e a observação do perfil do solo. A seção transversal do poço deve ter um diâmetro mínimo de 1,2 m e a Trincheira deve ter uma largura mínima de 1,0 m. Não havendo interesse na manutenção do Poço aberto deve ser totalmente preenchido com solo. Havendo interesse na manutenção do Poço aberto este deve ser tampado e cercado com arame farpado. A coleta de amostra deve ser feita durante o processo de escavação. 43

44 Coleta de Amostras Não é possível investigar o todo e portanto recorremse a exames de partes do todo para caracterizar o meio. A representatividade da amostra é uma característica fundamental para reduzir as incertezas decorrentes do processo de investigação. Na engenharia o tratamento de incertezas é feito por meio de fatores de segurança. Elevados fatores de segurança conduzem a projetos dispendiosos e irrealistas. 44

45 Coleta de Amostras A coleta de amostras é empregada na identificação de solos e para a execução de ensaios de caracterização, compactação e outros ensaios em laboratório como ensaios de resistência, compressibilidade e permeabilidade. Amostras indeformadas são aquelas obtidas por meio de técnicas que preservem ao máximo suas características geotécnicas que se verificam in situ (e.g., estrutura, peso específico aparente, umidade). Amostras deformadas são em geral empregadas em ensaios de caracterização e de compactação. 45

46 Amostragem Indeformada Para obtenção de amostras indeformadas é preciso utilizar amostradores tipo Shelby com paredes finas, que são levados ao laboratório envolvidos em parafina para preservação da umidade. Ver detalhes na NBR

47 Amostragem Indeformada Argilas com muitas conchas: dificuldade na coleta da amostra e na preparação do corpo de prova Solos com grãos: dificuldade na amostragem ocorrência de vazios dentro do amostrador 47

48 Ensaios de Campo Ensaio de Palheta ou Vane-test verificam a resistência ao cisalhamento do solo pela verificação da resistência do solo ao corte de uma palheta com movimento giratório. Ensaios de Penetração estática verificam a resistência do solo em termos da sua capacidade de carga. Ensaios pressiométricos verificam as relações tensão-deformação do solo. Ensaios de permeabilidade in situ verificam no campo a permeabilidade do solo. 48

49 Detalhe Palheta 49

50 Ensaio de Palheta Equipamento da COPPE (Nascimento, 1998) Detalhe da sapata de proteção 50

51 Profundidade (m) Exemplo Resultados 20 S u (kpa) Su intacto (kpa) ,0m 2,5m 3,0m 3,5m 4,5m 5,0m 8,0m Su intacto Su amolgado Ângulo de rotação da palheta (graus) Argila muito mole do Recreio, RJ 51

52 Ensaio de Penetração Estática CPTu - CONE 52

53 CPTu 53

54 Exemplo Solo Sedimentar Estratificado 54

55 Exemplo BR101 em SC 55

56 Interpretação - CPT 56

57 Interpretação - CPTu 57

58 PRÓS x CONTRAS VANTAGENS Penetração rápida (20mm/s); Perfil estratigráfico contínuo; Alta precisão e repetibilidade; Processamento automático dos dados; Possibilidade de execução com 1 operador; Muito utilizado em solos argilosos moles, onde o SPT não fornece informações precisas LIMITAÇÕES Impossibilidade de coleta de amostras; Necessidade de operador treinado; Equipamento e suporte técnico relativamente complexo; 58

59 CPTu X SPT 59

60 Cone Sísmico Geofones e/ou acelerômetros incorporados ao fuste de cone medidas da velocidade de propagação de ondas de compressão (v p ) e ondas de cisalhamento (v s ). 60

61 Cone Pressiômetro Década de 80 materializouse a idéia de incorporar um módulo pressiométrico ao fuste do cone. 1º protótipo foi desenvolvido na Inglaterra (Withers e outros, 1986), seguido de experiências no Canadá (Campanella & Robertson, 1986), Itália (Ghiona e outros, 1995) e Holanda (Zuidberg & Post, 1995). 61