Primeiros Resultados com o Piezocone-Torpedo em Terra: Os Ensaios em Sarapuí II

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1 COBRAMSEG : ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. ABMS. Primeiros Resultados com o Piezocone-Torpedo em Terra: Os Ensaios em Sarapuí II Graziella Maria Faquim Jannuzzi COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, jannuzzi@coc.ufrj.br Fernando Artur Brasil Danziger COPPE e Escola Politécnica, UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, danziger@coc.ufrj.br Gustavo Vaz de Mello Guimarães COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, gvmg@coc.ufrj.br Silvio Pinheiro da Silva Junior Grom Acústica e Automação Ltda., Rio de Janeiro, RJ, Brasil, silvio@grom.com.br Paulo Roberto Dionysio Henriques Junior PETROBRAS, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, paulodionysio@petrobras.com.br Elisabeth de Campos Porto PETROBRAS, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, bethporto@petrobras.com.br Cipriano José de Medeiros Junior PETROBRAS, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, cipri.intec@petrobras.com.br Diego Foppa PETROBRAS, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, foppa@petrobras.com.br Rachel Guerreiro Basílio Costa PETROBRAS, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, rachel.costa@petrobras.com.br Jane Vieira Volotão Fernandes PETROBRAS, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, janevolotao@petrobras.com.br RESUMO: O artigo descreve os primeiros resultados obtidos com o piezocone-torpedo, equipamento de investigação geotécnica desenvolvido para aplicação offshore em águas ultra-profundas. O equipamento é capaz de registrar as resistências de ponta (q c ) e de atrito (f s ), as poro-pressões na face (u ) e na base (u ) do cone e a temperatura durante a penetração do torpedo, lançado em queda livre. Os valores de velocidade e de deslocamento (profundidade) são obtidos a partir da integração de dados de acelerômetros, tal como no caso das estacas-torpedo. Os primeiros ensaios foram realizados em terra, no depósito de argila mole do Campo Experimental de Sarapuí II, no Rio de Janeiro. As alturas de queda variaram entre, m e, m. A penetração em todos os casos ultrapassou a camada mole, tendo os ensaios sido interrompidos na camada de argila arenosa subjacente ao pacote mole, entre as profundidades de, m e, m. Os resultados de aceleração, velocidade e deslocamento, q c, f s, u e u versus tempo são apresentados e discutidos, bem como os resultados de q c, f s, u e u versus profundidade. Excelente repetibilidade foi obtida para a resistência de ponta, o atrito lateral e a poro-pressão u. Já a poro-pressão u apresentou resultados em dois ensaios que indicam perda de saturação.

2 COBRAMSEG : ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. ABMS. PALAVRAS-CHAVE: Ensaio de campo, Piezocone, Offshore, Piezocone-torpedo, Argila mole. INTRODUÇÃO soltura O desenvolvimento do piezocone-torpedo foi descrito em um artigo neste mesmo congresso (Henriques Jr. et al., ). O equipamento é um penetrômetro de queda livre, capaz de medir resistência de ponta (q c ), atrito lateral (f s ), poropressão na face do cone (u ) e na base do cone (u ), além da temperatura durante a queda e algum tempo após a parada final. São medidos ainda a aceleração e o giro em três direções, mas até o presente momento apenas os dados relativos ao eixo vertical foram analisados. Cabe salientar que visualmente as quedas se deram na posição vertical. OS ENSAIOS REALIZADOS Cinco ensaios com o piezocone-torpedo foram realizados na primeira campanha em terra, no depósito de argila mole do Campo Experimental de Sarapuí II, cujas propriedades são descritas por Jannuzzi (). Conforme relatado por Henriques Jr. et al. (), o primeiro ensaio foi realizado ainda sem a montagem do piezocone no torpedo objetivando-se apenas testar o mecanismo de queda e de recuperação do torpedo. No primeiro ensaio propriamente dito, um problema com o sistema de aquisição de dados impediu a obtenção dos dados. Assim, os três ensaios (numerados a ) em que os dados foram obtidos são apresentados e discutidos. Os dados obtidos pelo sistema de aquisição estão associados ao tempo. Ou seja, os primeiros resultados referem-se a funções no tempo. O gráfico de aceleração versus tempo do ensaio está apresentado na Figura. Cabe salientar que a unidade no eixo vertical é g, e se refere a uma leitura absoluta, isto é, o torpedo está parado quando o acelerômetro registra o valor de -. Este é o mesmo sistema utilizado na estaca-torpedo. aceleração(-g) queda livre penetração Figura. Aceleração versus tempo, ensaio. Alguns aspectos muito interessantes podem ser observados na referida figura: i) o processo como um todo (do lançamento do torpedo até a parada final) durou cerca de s; ii) uma saturação, ou seja, limitação imposta pelo sistema de aquisição de dados, de - g foi atingida vezes, sendo a primeira antes da queda. Esta primeira saturação foi atribuída à corda empregada para o acionamento do Pelikelo dispositivo que libera o cabo de aço para a queda livre, muito flexível e que gerou a necessidade de um puxão muito forte, o que teria feito o torpedo oscilar na vertical antes do lançamento. A segunda saturação ocorreu quando o torpedo desacelerou fortemente na camada subjacente ao material resistente. Cabe ressaltar que esta desaceleração não ocorrerá nas situações offshore usualmente encontradas, em que geralmente se tem uma resistência crescendo gradualmente com a profundidade, até profundidades elevadas. Já a terceira saturação ocorreu quando o torpedo já se encontrava parado, e não há razão para este caso. Conforme se verá adiante, nos casos dos ensaios e a primeira e terceira saturações não ocorreram. O período entre o início de queda livre e a segunda saturação está ampliado na Figura.

3 COBRAMSEG : ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. ABMS. queda livre penetração a poro-pressão (u ) apresentaram variações, indicando o nível do terreno. aceleração (-g) Figura. Aceleração versus tempo, ensaio, período entre início de queda livre e segunda saturação. Podem ser observados na Figura períodos em que ocorrem oscilações durante a penetração, ainda sem análise. O início da penetração em terreno muito resistente, onde a aceleração passa a ter uma elevada inclinação, praticamente constante, no instante de cerca de ms, pode também ser visualizado na figura. Velocidade e deslocamento são obtidos a partir da integração dos dados de aceleração, assim a primeira saturação foi especialmente problemática na interpretação dos dados, tendo requerido uma série de exercícios numéricos para se obter alguma coerência nos resultados. A segunda saturação não foi propriamente um problema, uma vez que o interesse maior era o comportamento no material mole, e esta saturação ocorreu devido à forte desaceleração no solo abaixo do material mole, devido justamente à sua elevada rigidez. Em outras palavras, os gráficos foram interrompidos quando da saturação correspondente à penetração no material muito rígido. Cabe ressaltar que a penetração após esta saturação deve ter sido muito pequena, em função justamente da elevada rigidez do solo. Os gráficos de velocidade e deslocamento versus tempo são apresentados nas Figuras e, respectivamente. A parte negativa da velocidade decorre do problema relatado anteriormente. É interessante observar que a velocidade continua a aumentar ainda no interior do solo, até que passe por um máximo, reduza e finalmente pare. Na Figura o deslocamento foi admitido nulo quando a aceleração, a resistência de ponta do cone (q c ) e velocidade (m/s) penetração Figura. Velocidade versus tempo, ensaio, período entre início de queda livre e segunda saturação. deslocamento (m) Figura. Deslocamento versus tempo, ensaio, período de penetração no solo até segunda saturação. A resistência de ponta (q c ), o atrito lateral (f s ) e as poro-pressões (u ) e (u ) são apresentados, respectivamente, nas Figuras, e. Os valores de q c e f s são bastante consistentes, apresentando valores aproximadamente crescentes com o tempo (ou com a profundidade, como se verá adiante), e crescendo mais na camada abaixo do material muito mole. Os valores de poro-pressão u e u mostram tendências distintas. De fato, u apresenta um comportamento notório de má saturação do elemento poroso (e.g., Lunne et al., ). Uma possível explicação para este fato está associado ao procedimento empregado para se tentar manter a saturação dos elementos porosos entre a sua instalação no piezocone (feita dentro d água) e a penetração no solo. Empregou-se uma membrana plástica, preenchida com água, envolvendo a parte inferior do piezocone (Figura ). Aparentemente, a pressão de água no interior da

4 COBRAMSEG : ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. ABMS. membrana não foi suficiente para manter a saturação do elemento poroso da base do cone. qc (kpa) Figura. Resistência de ponta, q c, versus tempo, ensaio. Figura. Membrana plástica empregada para manter os elementos porosos saturados antes de se penetrar no solo. fs (kpa) Figura. Atrito lateral, f s, versus tempo, ensaio. u,u (kpa) u u Figura. Poro-pressões, u e u, versus tempo, ensaio. Os ensaios e não apresentaram a primeira e terceira saturações como mencionado anteriormente, apenas a segunda, associada à desaceleração ao final da penetração, conforme pode ser visualizado na Figura para o ensaio. O período entre a queda livre e a saturação está ampliado na Figura.

5 COBRAMSEG : ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. ABMS. velocidade (m/s) penetração tempo(ms) q c (kpa) Figura. Velocidade versus tempo, ensaio, período entre início de queda livre e saturação. penetração deslocamento (m) time (ms) ensaio ensaio ensaio Figura. Deslocamento versus tempo, ensaio, período entre início de queda livre e saturação. A Tabela apresenta a altura de queda, bem como a velocidade de impacto e a profundidade de penetração de todos os ensaios. Cabe ressaltar, conforme mencionado anteriormente, que a penetração após a saturação é muito pequena, tendo sido desprezada. A profundidade de penetração não é diretamente relacionada à velocidade de impacto, devido às diferenças na espessura do material mole, conforme pode ser visualizado nas Figuras,, e, onde a resistência de ponta, o atrito lateral e as poro-pressões são traçados conjuntamente em função da profundidade. Tabela. Altura de queda, velocidade de impacto e profundidade de penetração. Ensaio Altura de queda (m) Velocidade de impacto (m/s) Profundidade de penetração (m),,,,,, Figura. Resistência de ponta, q c, versus profundidade, ensaios, e. f s(kpa),,, ensaio ensaio ensaio Figura. Atrito lateral, f s, versus profundidade, ensaios, e.

6 COBRAMSEG : ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. ABMS. u (kpa) Uma excelente repetibilidade foi obtida para a resistência de ponta e o atrito lateral na camada mole. Uma boa repetibilidade foi obtida para a poro-pressão u, mas a poro-pressão u foi claramente afetada pela perda de saturação mencionada anteriormente. É interessante notar na Figura, entretanto, que o ensaio onde empregou-se glicerina ao invés de água como fluido de saturação apresentou um resultado melhor do que os dois outros ensaios. Procedimentos diferentes dos que foram empregados precisarão ser desenvolvidos para garantir uma saturação adequada dos elementos porosos no período entre a sua montagem no piezocone e a penetração do piezocone-torpedo no solo. ensaio ensaio ensaio Figura. Poro-pressão, u, versus profundidade, ensaios, e. ensaio ensaio ensaio u (kpa) Figura. Poro-pressão, u, versus profundidade, ensaios, e. CONSIDERAÇÕES FINAIS E CONCLUSÕES Os primeiros resultados de ensaios com um equipamento de investigações geotécnicas recém desenvolvido, o piezocone-torpedo, realizados no depósito de argila mole do Campo Experimental de Sarapuí II, foram apresentados. O equipamento é capaz de medir resistência de ponta, atrito lateral, poro-pressões na face e na base do cone, além da temperatura, aceleração e rotação em três direções. Velocidade e deslocamento são obtidos através da integração da aceleração, como no caso da estaca-torpedo. As alturas de queda variaram entre, m e, m. A penetração em todos os casos ultrapassou a camada mole, tendo os ensaios sido interrompidos na camada de argila arenosa subjacente ao pacote mole, entre as profundidades de, m e, m. As velocidades de impacto variaram entre, m/s e, m/s. Verificou-se que a velocidade do piezoconetorpedo continua ainda a aumentar no interior do solo, até que passe por um máximo, reduza e finalmente pare. Excelente repetibilidade foi obtida para o caso da resistência de ponta e do atrito lateral e boa repetibilidade para o caso da poro-pressão u. Resultados não satisfatórios foram obtidos no caso da poro-pressão u, devido aos procedimentos empregados para manter a saturação no período entre a montagem dos

7 COBRAMSEG : ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. ABMS. elementos porosos no piezocone e a penetração do equipamento no solo. Melhorias são necessárias no sistema de aquisição de dados. AGRADECIMENTOS Ao Comando da Estação Rádio Base da Marinha do Brasil, por permitir a utilização da área para as pesquisas ora relatadas. REFERÊNCIAS Henriques Jr., P.R.D., Porto, E.C., Medeiros Jr., C.J., Foppa, D., Costa, R.G.B., Fernandes, J.V.V., Danziger, F.A.B., Jannuzzi, G.M.F., Guimarães, G.V.M. e Silva Jr., S.P. (). O Desenvolvimento do Piezocone-Torpedo: Finalidades do Ensaio, Desafios e Primeiros Testes, Submetido ao XV COBRAMSEG, Gramado. Jannuzzi, G.M.F. (). Caracterização do Depósito de Solo Mole de Sarapuí II Através de Ensaios de Campo, Dissertação de Mestrado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro. Lunne, T., Robertson, P.K. e Powell, J.J.M. (). Cone Penetration Testing in Geotechnical Practice. Blackie Academic & Professional, London.