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  • 7/27/2019 AULA01-Investiga++es Geot+nicas

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    AULA 1

    INVESTIGAES GEOTCNICAS PARA O PROJETO DEFUNDAES

    1. INTRODUO

    Ao se executar um projeto de Engenharia Civil sempre se esbarra com o problema dosolo sobre o qual a obra ser assentada. Enquanto os diversos materiais empregadosna construo da obra tm suas caractersticas previamente especificadas (concreto,ao, madeira, etc.), o solo deve ser aceito tal como se apresenta. Assim, o primeirorequisito ao se elaborar um projeto de fundaes o conhecimento adequado dosubsolo. necessrio proceder-se identificao das diversas camadas componentesdo subsolo analisado, assim como avaliao das suas propriedades de engenharia.

    Para um projeto de fundaes bem elaborado, de forma a se poder prever ocomportamento do subsolo quando solicitado pelo carregamento da obra, necessrio conhecer:

    - os tipos de solos que ocorrem no subsolo, at a profundidade de interesse aoprojeto.

    - a disposio e espessura das camadas dos diferentes tipos de solos, bem como aavaliao da orientao dos planos que as separam.

    - as propriedades de engenharia (resistncia, deformabilidade / compressibilidade eeventualmente permeabilidade) dos diferentes tipos de solos encontrados.

    - informaes sobre a ocorrncia de gua em lenol fretico e eventualmente emlenis artesianos.

    Os procedimentos mais comuns para atingir tal intento so descritos a seguir.

    2 .SONDAGENS DE SIMPLES RECONHECIMENTO

    O mtodo mais comum de reconhecimento do subsolo a Sondagem de SimplesReconhecimento, que objeto de uma Norma Brasileira, a NBR-6484. ponto de

    partida para programas mais detalhados de investigao e o mnimo a ser exigido.

    Para efeito didtico, pode-se dividir o procedimento para execuo de uma sondagemde simples reconhecimento em trs etapas: perfurao, amostragem e determinao daresistncia a penetrao.

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    2.1 Perfurao

    Perfurao acima do Nvel dgua

    Nas sondagens de simples reconhecimento, a perfurao do terreno iniciada comtrado tipo cavadeira, com 10 cm de dimetro. Repetidas operaes com o trado e oacrscimo de hastes verticais vo aprofundando o furo.

    Em certos casos, o furo no se mantm. Isto acontece principalmente em areias purasou com poucos finos, ou ainda em argilas muito moles. Introduz-se ento no terreno,

    por cravao, um tubo de revestimento, com 2,5 polegadas de dimetro. Por dentrodeste tubo, a perfurao progride com trado espiral.

    Trados cavadeira e espiral

    Determinao do Nvel dgua

    A perfurao por trado mantida at ser atingido o nvel dgua (N.A.), ou seja, atque se percebe o surgimento de gua no interior da perfurao. Quando isto ocorre,registra-se a cota do N.A. e interrompe-se a operao, para se observar se o N.A. semantm na cota atingida ou se ele se eleva no tubo de revestimento. Se isto ocorrer,

    indicao de que a gua estava sob presso. Aguarda-se a estabilizao do N.A. eregistra-se a nova cota. A diferena entre esta e a cota em que foi inicialmente atingidaa gua indica a presso a que est submetido o lenol.

    Nveis dgua sob presso so bastante comuns, principalmente em camadas de areiarecobertas por argilas que so relativamente muito mais impermeveis.

    Algumas vezes ocorre mais do que um lenol dgua. So lenis suspensos emcamadas argilosas. Cada um destes lenis deve ser detectado e registrado.

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    Perfurao Abaixo do Nvel dgua

    Aps atingido o nvel dgua, a perfurao deixa de ser a trado e prossegue com atcnica de lavagem com circulao dgua. Uma bomba dgua motorizada injeta guana extremidade inferior do furo, atravs da haste, por dentro do tubo de revestimento.

    Na extremidade da haste existe uma ponteira (trpano), com ponta afiada e com doisorifcios pelos quais a gua sai com presso.

    A haste repetidamente levantada e deixada cair de cerca de 30 cm. A sua queda acompanhada de um movimento de rotao imprimido manualmente pelo operador na

    barra horizontal existente no topo da haste. Estas aes provocam o destorroamentodo solo no fundo da perfurao. Simultaneamente, a gua injetada pelos orifcios dotrpano ajuda a desagregao e, ao retornar superfcie, pelo espao entre a haste e otubo de revestimento, transporta as partculas do solo que foi desagregado.

    A perfurao por lavagem mais rpida do que pelo trado. Ela s pode serempregada abaixo do N.A. porque acima dele estaria alterando a umidade do solo.

    Perfurao por lavagem e detalhe do trpano

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    2.2 Amostragem

    O material recolhido pelo trado no processo de perfurao submetido no prpriocampo a exame visual-tctil, para identificao do tipo de solo. O material trazido pelalavagem, entretanto, no permite uma boa classificao do solo. Somente mudanasacentuadas do tipo de solo podem ser detectadas.

    Alm do material recolhido pelo trado e o levado at a superfcie por lavagem, umoutro tipo de amostragem feito cada metro de perfurao. Para essa amostragem,utiliza-se um amostrador padro, que constitudo de um tubo de 50,8 mm dedimetro externo e 34,9 mm de dimetro interno, com a extremidade cortante biselada.A outra extremidade, que fixada haste, tem dois orifcios laterais para a sada degua e ar, e uma vlvula constituda por uma esfera de ao.

    O amostrador conectado haste e apoiado no fundo da perfurao. A seguir,

    cravado pela ao de uma massa de ferro fundido (chamada martelo) de 65 kg. Para acravao, o martelo elevado a uma altura de 75 cm e deixado cair livremente. Oalteamento do martelo feito manualmente, atravs de uma corda flexvel que passa

    por uma roldana existente na parte superior do trip. A cravao do amostrador nosolo obtida por quedas sucessivas do martelo, at a penetrao de 45 cm.

    Amostrador padro e detalhe de sua cravao

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    A amostra colhida submetida a exame visual-tctil e suas caractersticas principaisso anotadas. Estas amostras so guardadas ento em recipientes plsticos, paraanlises posteriores.

    2.3 Resistncia Penetrao - SPT

    Durante a amostragem so anotados os nmeros de golpes do martelo necessriospara cravar cada trecho de 15 cm do amostrador. Desprezam-se os dados referentesao primeiro trecho de 15 cm, pois a o solo afetado pela perfurao, e define-sendice de resistncia penetrao como o nmero de golpes necessrios para cravar30 cm do amostrador, aps aqueles primeiros 15 cm.

    O ndice de resistncia a penetrao tambm referido como nmero SPT do solo,(NSPT ou SPT) sendo SPT as iniciais de Standard Penetration Test.

    Exemplo:

    5,0 m de profundidade fez-se a determinao do SPT com os seguintes nmerosde golpes.

    1os 15 cm 2os 15 cm 3os 15 cmgolpes/cm 5/15 7/15 8/15

    O NSPT a soma dos dois ltimos trechos ou seja 7+8 = 15. Note-se que se diz que oNSPT profundidade de 5,0 m 15, embora ele tenha sido medido entre asprofundidades de 5,15 e 5,45 m.

    Em funo da resistncia penetrao, o estado do solo classificado segundo astabelas abaixo.

    Areias e siltes arenososSPT COMPACIDADE0 a 4 fofa5 a 8 pouco compacta9 a 18 medianamente compacta

    19 a 41 compactaacima de 41 muito compacta

    Argilas e siltes argilososSPT CONSISTNCIA0 a 1 muito mole2 a 5 mole

    6 a 10 mdia11 a 19 rijaacima de 19 dura

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    O ndice NSPT indica basicamente uma resistncia do solo in situ. Esse ndice usado, como se ver adiante, em muitas correlaes para determinao de parmetrosde projeto e, portanto, o ensaio deve ser bem padronizado para que se possa obterresultados confiveis.

    Deve-se ressaltar que a sondagem de simples reconhecimento com medida do SPT de longe a investigao mais utilizada em estudos de fundaes e na maioria das vezesa nica que se faz, por ser barata e fornecer os dados indispensveis para o projeto.

    2.4 Apresentao dos Resultados

    Os resultados so apresentados em perfis do subsolo, com se mostra na figura, ondeso apresentadas as descries de cada solo encontrado, as cotas correspondentes acada camada, a posio do N.A. e sua eventual presso, a data em que foideterminado o N.A., e os valores da resistncia penetrao do amostrador. Quandono ocorre a penetrao de todo o amostrador, registra-se o SPT em forma de frao(por exemplo 30/12, indicando que 30 golpes, houve a penetrao de 12 cm).

    Resultado de uma sondagem de simples reconhecimento

    Sondagens feitas nas proximidades permitem o traado de seces do subsolo, emque se ligam as cotas dos materiais semelhantes, na suposio de que as camadas

    sejam contnuas, como se mostra na figura.

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    Seo do subsolo inferida a partir de sondagens de simples reconhecimento

    2.5 Programao de sondagens

    A programao de sondagens de simples reconhecimento para o estudo de fundaesde edifcios consiste em definir:

    - o nmero de sondagens;- a localizao das sondagens em planta;- a profundidade das sondagens.

    A Norma Brasileira NBR-8036/83 - Programao de Sondagens de SimplesReconhecimento dos Solos para Fundaes de Edifcios - prescreve algumasrecomendaes teis.

    a) Nmero de sondagens

    A NBR -8036 recomenda que o nmero de sondagens seja funo da rea (A) deconstruo projetada em planta do edifcio, conforme resumido abaixo:

    A 200 m2 2 sondagens200 m2< A 400 m2 3 sondagens400 m2< A 1200 m2 1 sondagem para cada 200 m2 que excederem os 400 m2.1200m22400 m2 fixado de acordo com o plano particular da construo.

    b) Localizao das sondagens

    Procura-se obedecer as seguintes recomendaes:

    - distribuio homognea na rea projetada da construo;- distncia entre as sondagens aproximadamente iguais;

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    - evitar extrapolaes (grandes trechos sem sondagens);- no caso de 3 ou mais sondagens, nunca distribu-las ao longo de uma mesma reta,

    para que se possa ter indicaes sobre eventuais inclinaes das camadas dosubsolo.

    c) Profundidade das sondagens

    A NBR-8036 recomenda que as sondagens sejam levadas at uma profundidade talem que o solo no seja mais significativamente solicitado pelas cargas estruturais,fixando como critrio a profundidade onde o acrscimo de tenso no solo, devido scargas estruturais aplicadas, seja menor do que 10 % da tenso vertical efetiva de

    peso de terra.

    Para facilidade de obteno dessa profundidade, a norma fornece o grficoapresentado na figura, onde:

    q = tenso mdia sobre o terreno (peso do edifcio dividido pela rea em planta) = peso especfico natural (ou submerso, abaixo do N. A.) mdio para os solos aolongo da profundidade em questoB =menor dimenso do retngulo circunscrito planta da edificaoL = maior dimenso do retngulo circunscrito planta da edificaoD = profundidade da sondagem

    Grfico para estimativa da profundidade D de sondagens

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    A contagem da profundidade deve ser feita a partir da superfcie do terreno, no secomputando para este clculo a espessura da camada de solo a ser eventualmenteescavada. No caso de fundaes profundas, a contagem da profundidade deve serfeita a partir da provvel posio da ponta das estacas ou base dos tubules.

    Exemplo:

    Projetar o nmero, posio em planta e profundidade das sondagens de simplesreconhecimento para:a) uma residncia trrea com carga distribuda sobre o terreno q = 12 kN/m2.

    b) um edifcio de 10 pavimentos com carga distribuda sobre o terreno de 120 kN/m2.Supor que a rea construda projetada em planta para as duas edificaes tenha umalargura B = 10 m e um comprimento L= 30 m. A rea do terreno 15x40 m.

    Resoluo:

    Nmero de sondagens:

    Nos 2 casos, a rea construda 300 m2. Portanto sero realizadas 3 sondagens.

    Posio das sondagens em planta:

    A posio das sondagens poderia ter as configuraes indicadas na figura.Obviamente, essas posies podem sofrer modificaes. Por exemplo, as sondagensno precisam estar necessariamente no permetro da rea.

    Localizao das sondagens

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    Profundidade das sondagens

    a) residncia trrea:

    q= 12 kN/m2estimado = 18 kN/m2 (supondo N.A. em profundidade)B = 10m

    qB x x0 1

    120 1 18 10

    0 67, ,

    ,

    = =

    LB = =

    3010 3

    Do grfico, tem-se: D B 0 5, e portanto, D = 5 m.

    b) edifcio com 10 andares (supondo fundao direta)

    q= 120 kN/m2estimado = 18 kN/m3 (supondo N.A. em profundidade)B = 10m

    qB x x0 1

    1200 1 18 10

    6 7, ,

    ,

    = =

    LB = =3010 3

    Do grfico, tem-se: D B 18, e portanto, D = 18 m.

    Deve-se salientar que essas recomendaes de profundidade so meramenteindicativas, pois a profundidade vai depender essencialmente das caractersticasgeotcnicas do subsolo e devem ser adaptadas a medida que so executadas. Porexemplo, devem ser aprofundadas as sondagens no caso de argila mole; deve-se

    encurt-las no caso de solos resistentes.

    3. OUTROS MTODOS DE PROSPECO

    Alguns projetos justificam a execuo de ensaios ao longo da profundidade. Osndices obtidos nesses procedimentos so em geral de qualidade superior ao SPT,mas eles no permitem a amostragem do solo e sua utilizao portantocomplementar. So os seguintes os principais ensaios de campo.

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    3.1 Ensaio de cone - CPT

    O ensaio de cone, tambm conhecido por CPT (Cone Penetration Test) teve a suaorigem na Holanda na dcada de 30, sendo hoje muito utilizado na Europa mas aindano usado rotineiramente no Brasil.

    O equipamento consiste num conjunto de hastes tendo na extremidade inferior umaponteira cnica com ngulo de vrtice de 600 e uma rea de 10 cm2. Imediatamenteantes do cone, h a chamada luva de Begemann. O cone serve para medir a resistnciade ponta (qc), enquanto com a luva mede-se a resistncia de atrito lateral (fc).

    O procedimento de ensaio consiste, como indica a figura, em se cravar inicialmente ocone ao longo de 4 cm, registrando-se portanto somente a resistncia de ponta. Emseguida, as hastes internas so avanadas mais 4 cm, fazendo com que seja cravado ocone e a luva de atrito. Neste caso, medida a resistncia de ponta acrescida daresistncia de atrito lateral, sendo esta ltima obtida por diferena. Procede-se ento descida das hastes externas ao longo de 20 cm, as quais trazem consigo a luva deatrito por 16 cm e o cone por 12 cm. A partir da o procedimento repetido. O

    processo de cravao esttico, com velocidade de cravao de 2 cm/s. Consegue-se dessa forma grficos da resistncia de ponta qc e da resistncia de atrito lateral fcem funo da profundidade.

    Deslocamento do cone durante o ensaio

    3.2 Ensaio de Palheta (Vane Test)

    O ensaio de palheta o mais utilizado para a determinao da resistncia no drenada

    Su (ou coeso c) de argilas moles.

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    Crava-se inicialmente, com o auxlio de uma haste, o conjunto de quatro palhetasindicado na figura. Promove-se ento, pela aplicao de um torque na haste, a rotaodas palhetas a uma velocidade constante.

    Conjunto de palhetas

    Para se calcular a resistncia no drenada da argila, iguala-se o torque T, medido numtorqumetro, necessrio para girar as palhetas, com o momento resistente imposto

    pelo solo. Esse momento resistente igual soma do momento resistente do solo

    desenvolvido na superfcie lateral com o momento resistente do solo desenvolvido notopo e base do cilindrode ruptura.

    Para altura H igual ao dobro do dimetro D, pode-se demonstrar que:

    ST

    Du=

    67 3

    3.3 Ensaio Pressiomtrico

    A idia bsica em que se apia o ensaio pressiomtrico a expanso volumtrica deuma cavidade cilndrica no solo, medindo-se essa expanso e a presso necessria

    para produz-la.

    O pressimetro consiste basicamente de duas partes, a sonda e a unidade de controle.Existem vrios tipos de sonda. Uma bastante comum a desenvolvida por Mnard.

    A sonda Mnard consiste de um tubo metlico vazado que serve de suporte para uma

    clula inflvel de borracha. A variao volumtrica da clula, cheia com gua,corresponde expanso de uma cavidade cilndrica.

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    A unidade de controle permanece na superfcie, sendo composta de manmetros e deum cilindro graduado medidor de volume. Controla-se atravs dela, o volume de guainjetado na sonda e a presso necessria para a injeo.

    Os resultados do ensaio so muito influenciados pela maneira como a sonda instalada no solo. Para que a perturbao seja mantida a mnima possvel, a sonda colocada em um furo previamente aberto, com o mesmo dimetro da sonda.

    O resultado do ensaio apresentado na forma de uma curva da presso aplicada emfuno da deformao volumtrica produzida. A parte inicial da curva ocorre quandoa sonda empurra a parede do furo de sondagem para a posio original que ocupavaantes da abertura do furo. No ponto A, considera-se que as condies do solo emrepouso foram restabelecidas. A presso no ponto A (Po) seria teoricamente igual a

    presso horizontal total em repouso do solo.

    Resultado do ensaio pressiomtrico

    A poro da curva compreendida entre os pontos A e B uma linha reta. O mdulode elasticidade pressiomtrico pode ser determinado teoricamente da seguinteexpresso:

    E VPVp m= +2 1( )

    onde o coeficiente de Poisson, Vm o volume mdio no trecho entre Vo e Vfe P a variao de presso entre Vo e Vf.

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    3.4 Ensaio de carregamento em placa (prova de carga)

    Consiste em se aplicar um carregamento sobre uma placa metlica circular assentesobre o solo . Carrega-se progressivamente o terreno atravs da placa e medem-se osrecalques resultantes. No Brasil, comum utilizar-se placas de 80 cm de dimetroenquanto nos Estados Unidos a placa utilizada quadrada de 30 x 30 cm.

    Execuo de prova de carga em placa

    O resultado da prova de carga apresentado na forma de um grfico de recalque emfuno da tenso aplicada. Com os dados da prova de carga, pode-se determinar atenso admissvel de uma fundao. A tenso admissvel tomada como a tenso deruptura observada no ensaio dividida por um coeficiente de segurana igual a 2. Uma

    anlise mais pormenorizada da determinao da tenso admissvel ser apresentadaem aula posterior do curso.

    Resultado de uma prova de carga

    O ensaio tambm permite a obteno do mdulo de elasticidade E do solo. Cabeobservar que esse mdulo no constante, pois varia significativamente com o nvelde tenso considerado. Para placas circulares rgidas com dimetro d, tem-se:

    E qd= 4 12( )

    onde q a tenso aplicada placa, o coeficiente de Poisson e o recalque medido.

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    Outro dado importante que se pode tirar de provas de carga o coeficiente derecalque vertical ou coeficiente de reao (Ks) que o coeficiente angular da curvatenso - recalque no trecho linear:

    Kq

    s =

    onde q a tenso e o recalque de um ponto genrico do trecho linear. Ks dadoem kN/m2/cm.

    4 AMOSTRAGEM INDEFORMADA E ENSAIOS DE LABORATRIO

    4.1 Amostragem

    A amostragem feita na sondagem de simples reconhecimento provoca grandestenses no solo. A amostra obtida til para a identificao visual-tctil e para ensaiosde caracterizao. No se presta, entretanto, para ensaios mecnicos em que aestrutura natural do solo deve ser preservada.

    Amostras indeformadas do solo podem ser obtidas de duas maneiras:

    a) Em taludes ou no fundo de poos, cortando-se cuidadosamente um bloco cbico(30x30x30 cm por exemplo) do solo, e revestindo-o com parafina para que no percaumidade. Este bloco dever ser mantido no laboratrio em cmara mida at aexecuo dos ensaios.

    b) Pela cravao de amostrador de parede fina, por meio de um sistema que noproduza impacto. Estes amostradores so conhecidos pelo nome de Shelby.Amostradores com dimetros de 5 a 12 cm so comuns. Os amostradores maioresso nitidamente melhores, pois a relao atrito / volume da amostra menor.

    A pequena espessura das paredes desses amostradores costuma ser definida pelarelao:

    RA A

    Ae i

    i=

    onde Ae e Ai so as reas correspondentes respectivamente ao dimetro externo e aodimetro interno. Recomenda-se que essa relao seja inferior a 0,1.

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    Por outro lado, a extremidade de corte deve ter um dimetro ligeiramente inferior aodimetro interno, de maneira a aliviar o atrito entre a amostra e a superfcie interna doamostrador.

    Outros amostradores so tambm disponveis, para projetos de maiorresponsabilidade.

    4.2 Ensaios de Laboratrio

    Em laboratrio, inicialmente, as amostras coletadas so submetidas a ensaios decaracterizao (granulometria, LL e LP, peso especfico dos gros).que possibilitam aclassificao dos solos encontrados. Para a execuo desses ensaios, podem serutilizadas tanto amostras indeformadas quanto deformadas.

    Para a determinao dos ndices fsicos j necessrio o uso de amostrasindeformadas. Com a determinao do teor de umidade e do peso especfico natural,todos os demais ndices fsicos podem ser calculados a partir das relaes deduzidasno curso de Mecnica dos Solos.

    As principais propriedades dos solos de interesse ao projeto de fundaes a seremdeterminadas em laboratrio so a resistncia e compressibilidade. O conhecimentoda permeabilidade necessrio somente em problemas especiais.

    Resistncia

    Em solos no coesivos (areias), o parmetro de interesse o ngulo de atrito efetivo(). J em solos puramente coesivos (argilas saturadas), interessa a resistncia nodrenada ou coeso (c). Em solos genricos, por sua vez, tanto o ngulo de atritoquanto a coeso devem ser determinados. Para a determinao desses parmetrosdispe-se dos ensaios de compresso simples, cisalhamento direto e triaxiais, queforam discutidos de forma exaustiva no curso de Mecnica dos solos

    CompressibilidadeAs caractersticas de compressibilidade dos solos so determinadas atravs do ensaiode adensamento. Os parmetros a serem determinados so a tenso de pr-adensamento (a), o ndice de compresso (Cc), o ndice de recompresso (C r) e ocoeficiente de adensamento (Cv). A definio desses parmetros e o procedimento

    para execuo do ensaio de adensamento foram vistos no curso de Mecnica dosSolos.