Ensaios de campo
Caracterização Geotécnica
Jaime A. Santos (IST)
DFA em Geotecnia para Engenharia Civil
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.
Ensaio de penetração dinâmica SPT
Factores correctivos:
(N1)60 = ERr/60 •λ• CN• N ...
ERr – eficiência
λ - factor de correcção do comprimento das varas
CN – factor de correcção da tensão efectiva de recobrimento (areias)
Ensaio de penetração dinâmica SPT
Factor correctivo relacionado com a energia de cravação (ERr/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):
1,0> 10
0,956 – 10
0,854 – 6
0,753 – 4
λComprimento total das varas (m)
Ensaio de penetração dinâmica SPT
Factor correctivo relacionado com a tensão efectiva de recobrimento (EC7):
Nota: σ’v em kPa x 10-2, assim para uma tensão efectiva de recobrimento de 100kPa tem-se σ’v=1 e CN=1Não são recomendáveis valores de CN superiores a 2 (ou preferivelmente 1,5)
1,7/(0,7+σ’v)Sobreconsolidadas
3/(2+σ’v)60 a 80
2/(1+σ’v)40 a 60Normalmenteconsolidadas
CNCompacidade relativa ID(%)
Tipo de areia
Ensaio de penetração dinâmica SPT
)materialb,a()ba(IN:)(Skempton vD →σ′+= 2601986
Exemplo:Terreno arenoso (NC) com γ=20kN/m3
z=4m, obteve-se N60=10
z=20m, obteve-se N60=20
Aplicando os factores correctivos:
z=4m, (N1)60= 0,75 x 200/(100+4x20) x 10 = 8,3 !
z=20m , (N1)60= 1,0 x 200/(100+20x20) x 20 = 8,0 !
Ensaio de penetração dinâmica SPTImportância dos factores correctivos
Anexo F da parte 2 do EC7 - parâmetros derivados e métodos de cálculo
semi-empíricos baseados no Standard Penetration Test (SPT):
Exemplo:(N1)60, granulometria → areias: Dr, φ‘
Método de cálculo de assentamentos em fundações superficiais
EC7. Correlações com carácter informativo
Consistência de argilas
> 400> 30Rija
qu – resistência à compressão simplesO factor de correcção CN não é aplicável para os solos argilosos
200 a 40015 a 30Muito dura
100 a 2008 a 15Dura50 a 1004 a 8Média
30 a 502 a 4Mole< 30< 2Muito mole
qu (kPa)N (SPT)Consistência
Ensaio de penetração dinâmica SPT
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 10cm2.
No ensaio CPT medem-se as resistência de ponta e lateral: qc e fs.
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 Ch.
Ensaios de penetração (CPT/CPTU)
Ensaio CPT
Resistência de ponta: qc [FL-2]
Resistência lateral: fs [FL-2]
Razão de atrito: Rf=fs/qc
Ensaio CPTU
Resistência de ponta corrigida: qt
qt = qc+ (1-a)•u ; a = AN/AC
Parâmetros adimensionais:
Bq , Qt , Fr
AC
ANu
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.
Cone Sísmico (SCPT/SCPTU)
Classificações com base no CPTU (Robertson, 1990)
1 – Solo fino sensível2 – Solos orgânicos – turfas3 – Argilas - argilas a argilas siltosas4 – Misturas siltosas - argilas siltosas a siltes argilosos5 – Misturas arenosas - siltes arenosos a areias siltosas
6 – Areias - areias siltosas a areias limpas7 – Areias a areias com cascalho8 – Areias a areias argilosas muito compactas (cimentadas)9 – Solos finos muito duros (fortemente sobreconsolidados)
Coeficiente de consolidação horizontal - Ch
r2
h
IRtCT =* T* – factor tempo (adim.)
t – tempoIr – índice de rigidez (G/Cu)R – raio do piezocone1-U – % de dissipação
Factor T* segundo Houlsby e Teh (1988):Posição do filtro
1-U (%) Vértice do
cone Face do cone 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
Atenção ao efeito de cravação – adensamento nos solos normalmente consolidadost
IRTC r
2
h
*
=
Efeito da cravação:
Anexo C da parte 2 do EC7 - parâmetros derivados e métodos de cálculo
semi-empíricos baseados no Cone Penetration Test CPT.
Exemplo:qc, fs, granulometria → areias: compacidade relativa, φ', Es
Método de cálculo para fundações superficiaisMétodo de cálculo para fundações por estacas
EC7. Correlações com carácter informativo
Correlação qc-cu
cu=(qc-σv0)/Nk (CPT)
cu=(qt-σv0)/Nkt (CPTU)
Os valores de Nk e Nkt 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 cu.
Correlação qc-NSPT
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 qc-NSPT expressas em função do diâmetro médio das partículas (D50).
Infelizmente, é necessário reconhecer que os dados do ensaio SPTutilizados 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
qc-NSPT.
Resistência de Ponta (qc) [MPa]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20 25
Prof
undi
dade
Razão de Fricção Rf=fs/qc (%)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 2 4 6 8 10
Prof
undi
dade
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
km 7+904
Tv
a0
a0a
a0
a1
a2
a3
Tv - Terra Vegetal
a0a - Arg. Sil. Org.
a0 - Lodos
a1 - Areias Lodosas
a2 - Areias
a3 - Cascalheiras
NSPT =1
NSPT de 1 a 2
NSPT de 13 a 14
NSPT de 2 a 6
NSPT de 13 a 31
NSPT de 44 a 46
Vale aluvionar do Tejo: Zona do Carregado
Razão de Fricção Rf=fs/qc (%)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
0 10 20 30 40
Prof
undi
dade
Resistência de Ponta (qc) [MPa]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
0 10 20 30 40
Prof
undi
dade
km 5+459
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
a0
a0a
Tva0a
a0
a0
a0
a1
a1
a1
a2
a3
M
Tv - Terra Vegetal
a0a - Arg. Sil. Org.
a0 - Lodos
a1 - Areias Lodosas
a2 - Areias
a3 - Cascalheiras
M - Miocénico
NSPT = 1 NSPT = 4 NSPT = 3
NSPT de 1 a 2
NSPT = 1 a 11
NSPT de 0 a 1
NSPT de 14 a 26
NSPT de 6 a 11
NSPT = 34 NSPT = 12
NSPT = 40 a 60
NSPT = 60
Vale aluvionar do Tejo: Zona do Carregado
Ensaio de corte rotativo
Secção A-A
Sup. rotura
Pás do molinete
Caracterização de solos moles (N < 4, máx ≈7)
Ensaio de corte rotativo
Hipóteses (EC7):
• comp. isotrópico - b=cuv/cuh=1
• dist. de tensões uniforme nas sup. horizontais dos topos – n=0, τx/τx=R = (x/R)n
• altura das pás é igual ao dobro da largura – H = 2D
• mostra-se que nestas condições cu = 0.86 M / π D3 = 0.273 M / D3
O ensaio permite determinar a resistência não drenada de pico e residual dos solos argilosos
Admitindo as hipóteses de base do EC7 tem-se:
Na superfície lateralM1 = τ x Área lateral x braço = τ (π D H) D/2 = τ π D2 H/2
Nas superfícies do topo e da base
M2 = 2 Iτ (2 π r) r dr = τ 4 / 3 π R3
Atendendo a que H = 2D e τ = cu
M = M1 + M2 = cu D3 7/6 π, ou seja,
cu = (6/7 M) / (π D3) = (0.86 M) / (π D3)
M
τ
Ensaio de corte rotativo
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.
0
5
10
15
20
25
0 10 20 30 40 50 60 70
S u (kPa)
Prof
undi
dade
(m
)
Resistência não drenada normalizada em relação à tensão efectiva
Solos aluvionares do Tejo(3 locais)
Resistência não drenada normalizada em relação à tensão efectiva
0
5
10
15
20
25
0 1 2 3Su/ σ 'v
prof
un
did
ade
(m)
OCR=1
OCR=2
OCR=3
OCR=4
OCR=5
OCR=10
OCR=20
( ) 80040230 ,
v
u OCR.,S±=
σ′
Jamiolkowski et al. (1985)
Solos aluvionares do Tejo
Pressão limite:pLM (pL)
Módulo Menard:EM
Ensaio pressiométrico 1) tipo Menard (em pré-furo)2) autoperfurador
EC7-part 3
5-123-51-1.53-4
3-42.5-3.51-2.5qc/pLM
Areia ou cascalho
Siltecompacto
Areia soltaou silte
compressível
Argila rija
Argila dura a muito dura
Argila mole
Tipo de solo
Gaguelin et al. (1978)
0.71.91.62.32.92.6N60/EM
62318262132N60/pLM
GessoMargaArgila plástica
Argila mole
AreiaSilteTipo de solo
Gonin et al. (1992)
Obs: Valores de pLM e EM em MPa
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)
EC7. Correlações com carácter informativo