DFA em Geotecnia para Engenharia Civil Caracterização Geotécnica Ensaios de campo Jaime A. Santos (IST)
Ensaio de penetração dinâmica SPT O ensaio SPT (Standard Penetration Test) é realizado na base de um furo de sondagem e consiste em cravar no terreno um amostrador com dimensões e energia de cravação normalizadas (pilão com 63,5 kg de massa e altura de queda de 760mm). O ensaio é realizado em três fases com penetrações de 15cm, respectivamente. Devido à perturbação do terreno provocada pelos trabalhos de furação, desprezam-se os resultados obtidos na primeira fase. O número de pancadas necessárias para atingir a penetração de 30cm (segunda e terceira fase) define o valor de N (SPT). O ensaio é utilizado principalmente para a determinação das propriedades mecânicas dos solos arenosos. Trata-se de um ensaio expedito e pouco dispendioso e, por isso, é talvez o ensaio mais utilizado na prática para o reconhecimento das condições do terreno.
Correlações desactualizadas com base no valor de N
Ensaio de penetração dinâmica SPT Factores correctivos: (N 1 ) 60 = ER r /60 λ C N N... ER r eficiência λ - factor de correcção do comprimento das varas C N factor de correcção da tensão efectiva de recobrimento (areias)
Ensaio de penetração dinâmica SPT
Ensaio de penetração dinâmica SPT Factor correctivo relacionado com a energia de cravação (ER r /60): Considerou-se para efeitos de normalização uma eficiência de 60% para o sistema de cravação, isto é, só 60% da energia potencial (produto da massa pela altura de queda do pilão) atinge o extremo inferior do equipamento. Os equipamentos com dispositivo de disparo automático do pilão apresentam uma eficiência da ordem dos 60%, enquanto que os equipamentos mais antigos em que é necessário elevar e largar o martelo através de um dispositivo de corda e roldana, as perdas de energia são bastante superiores e a eficiência reduz para valores da ordem dos 45%. (Nota: 45% / 60% = 0.75 Assim, por exemplo, um resultado de N=20 obtido num equipamento de corda e roldana é equivalente a um resultado de N=15 num equipamento de disparo automático do pilão.
Ensaio de penetração dinâmica SPT Factor correctivo relacionado com o comprimento das varas (EC7): Comprimento total das varas (m) 3 4 4 6 6 10 > 10 λ 0,75 0,85 0,95 1,0
Ensaio de penetração dinâmica SPT Factor correctivo relacionado com a tensão efectiva de recobrimento (EC7): Tipo de areia Normalmente consolidadas Sobreconsolidadas Compacidade relativa I D (%) 40 a 60 60 a 80 C N 2/(1+σ v ) 3/(2+σ v ) 1,7/(0,7+σ v ) Nota: σ v em kpa x 10-2, assim para uma tensão efectiva de recobrimento de 100kPa tem-se σ v =1 e C N =1 Não são recomendáveis valores de C N superiores a 2 (ou preferivelmente 1,5) Skempton( 1986 ) : N 60 = I 2 D ( a + b σ v ) ( a,b material )
Exemplo: Terreno arenoso (NC) com γ=20kn/m 3 z=4m, obteve-se N 60 =10 z=20m, obteve-se N 60 =20 Ensaio de penetração dinâmica SPT Importância dos factores correctivos Aplicando os factores correctivos: z=4m, (N 1 ) 60 = 0,75 x 200/(100+4x20) x 10 = 8,3! z=20m, (N 1 ) 60 = 1,0 x 200/(100+20x20) x 20 = 8,0!
EC7. Correlações com carácter informativo Anexo F da parte 2 do EC7 - parâmetros derivados e métodos de cálculo semi-empíricos baseados no Standard Penetration Test (SPT): Exemplo: (N 1 ) 60, granulometria areias: D r, φ Método de cálculo de assentamentos em fundações superficiais
Consistência Muito mole Mole Média Dura Muito dura Rija Ensaio de penetração dinâmica SPT Consistência de argilas N (SPT) 2 a 4 4 a 8 8 a 15 15 a 30 > 30 < 30 30 a 50 50 a 100 100 a 200 200 a 400 > 400 q u resistência à compressão simples O factor de correcção C N não é aplicável para os solos argilosos < 2 q u (kpa)
Ensaio de penetração dinâmica SPT As correlações baseadas no SPT são malditas, porém são necessárias. Ainda assim, pelo uso indevido da metodologia, há ocasiões em que me arrependo de tê-las publicado. Dirceu Velloso, 1998
Ensaios com cone penetrómetro (CPT/CPTU) Os ensaios CPT (cone penetration test) e CPTU (piezocone com medição da pressão intersticial) são considerados internacionalmente como uma das mais importantes ferramentas de prospecção geotécnica. O princípio do ensaio consiste na cravação no terreno de uma ponteira cónica (60º de ângulo de abertura) a uma velocidade constante de 20mm/s. A secção transversal do cone apresenta uma área de 10cm 2. No ensaio CPT medem-se as resistência de ponta e lateral: q c e f s. No ensaio CPTU mede-se ainda a pressão intersticial da água. Ensaios de dissipação do excesso de pressão intersticial gerado durante a cravação do piezocone no solo podem ser interpretados para a obtenção do coeficiente de consolidação C h.
Ensaios de penetração (CPT/CPTU) Ensaio CPT Resistência de ponta: q c [FL -2 ] Resistência lateral: f s [FL -2 ] Razão de atrito: R f =f s /q c Ensaio CPTU u A N Resistência de ponta corrigida: q t A C q t = q c + (1-a) u ; a = A N /A C Parâmetros adimensionais: B q, Q t, F r
Cone Sísmico (SCPT/SCPTU) The Seismic Cone Penetration Test combines the seismic downhole technique with the standard Cone Penetration test. A seismic receiver is added to the cone, then the similar procedure as the one followed with the seismic downhole test is used. The shear wave velocity calculation, therefore, is similar to that of the downhole. The advantages of SCPT are: its speed, the fact that it provides static soil properties (such as point bearing and sleeve frictional resistance), as well as ground proofing and stratigraphy of the site.
Ensaios de penetração (CPT/CPTU) Sistema de cravação Componentes do equipamento
Ensaios de penetração (CPT/CPTU/SCPTU)
Ensaio de penetração CPT Robertson & Campanella (1983) (R f =f s /q c ) Classificação do solo
Ensaio de penetração CPTU
Classificações com base no CPTU (Robertson, 1990) 1 Solo fino sensível 2 Solos orgânicos turfas 3 Argilas - argilas a argilas siltosas 4 Misturas siltosas - argilas siltosas a siltes argilosos 5 Misturas arenosas - siltes arenosos a areias siltosas 6 Areias - areias siltosas a areias limpas 7 Areias a areias com cascalho 8 Areias a areias argilosas muito compactas (cimentadas) 9 Solos finos muito duros (fortemente sobreconsolidados)
T = C C t Coeficiente de consolidação horizontal - C h * h T * factor tempo (adim.) 2 R Ir h t tempo I r índice de rigidez (G/Cu) R raio do piezocone 1-U % de dissipação Factor T * segundo Houlsby e Teh (1988): 1-U (%) = T * 2 R t Vértice do cone I r Face do cone Posição do filtro Base do cone 5 raios acima da base 10 raios acima da base 20 0.001 0.014 0.038 0.294 0.378 30 0.006 0.032 0.078 0.503 0.662 40 0.027 0.063 0.142 0.756 0.995 50 0.069 0.118 0.245 1.110 1.460 60 0.154 0.226 0.439 1.650 2.140 70 0.345 0.463 0.804 2.430 3.240 80 0.829 1.040 1.600 4.100 5.240 Efeito da cravação: Atenção ao efeito de cravação adensamento nos solos normalmente consolidados
EC7. Correlações com carácter informativo Anexo C da parte 2 do EC7 - parâmetros derivados e métodos de cálculo semi-empíricos baseados no Cone Penetration Test CPT. Exemplo: q c, f s, granulometria areias: compacidade relativa, φ', E s Método de cálculo para fundações superficiais Método de cálculo para fundações por estacas
Correlação q c -c u c u =(q c -σ v0 )/N k c u =(q t -σ v0 )/N kt (CPT) (CPTU) Os valores de N k e N kt variam, em geral, entre 10 e 20. Estes valores podem ser utilizados como valores de referência, mas é desejável determiná-los no local visando uma maior precisão na obtenção de c u.
Correlação q c -N SPT Os ensaios SPT e CPT são provavelmente os ensaios mais utilizados em todo o mundo. É desejável, por isso, estabelecer correlações entre as medidas dos dois ensaios. Existem diversas propostas de correlações do tipo q c -N SPT expressas em função do diâmetro médio das partículas (D 50 ). Infelizmente, é necessário reconhecer que os dados do ensaio SPT utilizados nestas correlações não foram corrigidos tendo em conta a energia de cravação, as perdas de energia nas varas, etc.., o que pode explicar em parte a dispersão dos resultados como se mostra na figura q c -N SPT.
Nota: p a =100kPa Correlação q c -N SPT
Vale aluvionar do Tejo: Zona do Carregado Resistência de Ponta (qc) [MPa] Razão de Fricção Rf=fs/qc (%) km 7+904 0 0 5 10 15 20 25 0 0 2 4 6 8 10 N SPT =1 Tv a 0a 0 5 5 N SPT de 1 a 2 a 0 5 10 10 N SPT de 13 a 14 a 1 10 Tv - Terra Vegetal 15 15 a 0 15 a 0a - Arg. Sil. Org. a 0 - Lodos Profundidade 20 25 Profundidade 20 25 N SPT de 2 a 6 20 25 a 1 - Areias Lodosas a 2 - Areias a 3 - Cascalheiras a 2 30 30 30 35 35 N SPT de 13 a 31 35 40 40 40 N SPT de 44 a 46 a 3 45 45 45
Vale aluvionar do Tejo: Zona do Carregado Resistência de Ponta (qc) [MPa] Razão de Fricção Rf=fs/qc (%) km 5+459 0 5 10 15 20 0 10 20 30 40 0 5 10 15 20 0 10 20 30 40 N SPT = 1 N SPT = 4 N SPT = 3 N SPT de 1 a 2 N SPT = 1 a 11 N SPT de 0 a 1 Tv a 0a a 0 a 1 a 0 a 1 a 0 0 5 10 15 20 Tv - Terra Vegetal a 0a - Arg. Sil. Org. a 0 - Lodos a 1 - Areias Lodosas Profundidade 25 30 Profundidade 25 30 N SPT de 14 a 26 N SPT de 6 a 11 a 1 a 0 25 30 a 2 - Areias a 3 - Cascalheiras M - Miocénico 35 35 N SPT = 34 N SPT = 12 a 2 a 0a 35 40 40 N SPT = 40 a 60 a 3 40 45 45 45 50 50 50 N SPT = 60 M 55 55 55
Ensaio de corte rotativo Caracterização de solos moles (N < 4, máx 7) Pás do molinete Sup. rotura Secção A-A
Ensaio de corte rotativo Hipóteses (EC7): comp. isotrópico - b=c uv /c uh =1 dist. de tensões uniforme nas sup. horizontais dos topos n=0, τ x /τ x=r = (x/r) n altura das pás é igual ao dobro da largura H = 2D mostra-se que nestas condições c u = 0.86 M / π D 3 = 0.273 M / D 3 O ensaio permite determinar a resistência não drenada de pico e residual dos solos argilosos
Ensaio de corte rotativo Admitindo as hipóteses de base do EC7 tem-se: Na superfície lateral M1 = τ x Área lateral x braço = τ (π D H) D/2 = τπd 2 H/2 Nas superfícies do topo e da base M τ M2 = 2 Iτ (2 π r) r dr = τ 4 / 3 π R 3 Atendendo a que H = 2D e τ = c u M = M1 + M2 = c u D 3 7/6 π, ou seja, c u = (6/7 M) / (π D 3 ) = (0.86 M) / (π D 3 )
Ensaio de corte rotativo É de salientar que na avaliação da resistência não drenada de um solo argiloso há que ter em consideração diversos factores tais como: a tensão de consolidação, a trajectória de tensões, a anisotropia, a taxa de deformação, etc.. Casos históricos de escorregamentos de taludes em terrenos argilosos proporcionaram dados importantes para estudos de retro-análise que permitiram determinar factores de correcção para a resistência não drenada obtida no ensaio de corte rotativo. O EC7 apresenta, a título informativo, uma proposta para estes factores de correcção.
Resistência não drenada normalizada em relação à tensão efectiva S u (kpa) 0 10 20 30 40 50 60 70 0 5 Profundidade (m) 10 15 20 25 Solos aluvionares do Tejo (3 locais)
Resistência não drenada normalizada em relação à tensão efectiva Solos aluvionares do Tejo 0 Su/ σ'v 0 1 2 3 profundidade (m) 5 10 15 OCR=1 OCR=2 Su σ Jamiolkowski et al. (1985) v = ( ) 0, 8 0, 23 ± 0. 04 OCR OCR=3 20 OCR=4 OCR=5 OCR=10 OCR=20 25
Ensaio pressiométrico 1) tipo Menard (em pré-furo) 2) autoperfurador EC7-part 3 Pressão limite: p LM (p L ) Módulo Menard: E M
Gaguelin et al. (1978) Tipo de solo Argila mole Argila dura a muito dura Argila rija Areia solta ou silte compressível Silte compacto Areia ou cascalho q c /p LM 1-2.5 2.5-3.5 3-4 1-1.5 3-5 5-12 3-4 Gonin et al. (1992) Tipo de solo Silte Areia Argila mole Argila plástica Marga Gesso N 60 /p LM 32 21 26 18 23 6 N 60 /E M 2.6 2.9 2.3 1.6 1.9 0.7 Obs: Valores de p LM e E M em MPa
EC7. Correlações com carácter informativo Anexos da parte 2 do EC7 (parâmetros derivados e métodos de cálculo semi-empíricos. Destacam-se os seguintes: Anexo D Cone Penetration Test (CPT) Anexo E Pressuremeter Test (PMT) Anexo F Standard Penetration Test (SPT) Anexo G Dynamic Probing Test (DP) Anexo I Field Vane Test (FVT) Anexo K Plate loading test (PLT)