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Prticas Regionais de Execuo de Ensaios SPT e Seus Efeitos nondice de Resistncia PenetraoBianca de Oliveira LoboMilititsky Consultoria Geotcnica, Florianpolis, Brasil, [email protected]

Fernando SchnaidUniversidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, [email protected]

Marcelo Maia RochaUniversidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, [email protected]

Jarbas MilititskyMilititsky Consultoria Geotcnica, Porto Alegre, Brasil, [email protected]

RESUMO: Em diversos pases o ensaio SPT a ferramenta de investigao geotcnica maisrotineira e econmica. Apesar da padronizao do amostrador, prticas regionais de execuo deensaios apresentam diferenas no equipamento de cravao. A prtica brasileira de execuo deensaios SPT faz uso de martelos operados manualmente tipo pino-guia e composio de hastesAWJ enquanto que, nos Estados Unidos e Canad, martelos tipoSafety ou Automticos ecomposies de hastes mais robustas (AW ou NW) so utilizados. luz das distintas prticasregionais, foram avaliados numericamente os mecanismos de absoro de energia pelo solo e seusefeitos no ndice de resistncia penetrao N-SPT em perfis fofos e compactos. Desta anlise,conclui-se que o equipamento de cravao utilizado produz diferenas no ndice de resistncia penetrao N e na energia efetivamente consumida neste processo. Desta forma enfatiza-se que,somente atravs de uma anlise racional dos efeitos dinmicos e estticos produzidos no solo

durante a execuo de ensaios dinmicos possvel reduzir a variabilidade dos resultados obtidos.PALAVRAS-CHAVE: Ensaios SPT, Variabilidade de Resultados, Conceitos de Energia.

1 INTRODUO

No Brasil e em diversos pases como EUA,Canad e Japo, oStandart Penetration Test SPT a mais popular, rotineira e econmicaferramenta de investigao utilizada na prticada engenharia geotcnica. Sua popularidadedecorre da simplicidade operacional, baixocusto e experincia emprica acumulada naexecuo e na aplicao dos resultados.

Embora bastante utilizado, o ensaio tem sidoobjeto freqente de crticas no meio tcnico,devido aspectos relacionados disperso deresultados, dependncia do operador e adiversidade de equipamentos e procedimentos.

A prtica brasileira de execuo de ensaiosSPT est associada com martelos operadosmanualmente tipo pino-guia e composio de

hastes AWJ enquanto que, nos Estados Unidose Canad, martelos tipoSafety ou Automticose composies de hastes mais robustas (AW ou NW) so utilizados.

luz das distintas prticas regionais, o presente trabalho tem por objetiva avaliar osmecanismos de absoro de energia pelo solo eseus efeitos no ndice de resistncia penetrao N-SPT executados com martelos dediferentes geometrias e energias de cravaoassociados com composio de hastes devariada seo transversal e comprimento, em perfis de solo de diferentes compacidades.

2 A INTERPRETAO RACIONAL DEENSAIOS DE PENETRAO DINMICA

COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAO E SUSTENTABILIDADE. 2010 ABMS.

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Ensaios de penetrao dinmica tm seucomportamento avaliado a partir do uso dateoria de propagao de ondas em meioselsticos associados com conceitos de trabalhoe conservao de energia (Odebrecht, 2003;Odebrecht et al, 2005; Schnaid, 2005).

O impacto do martelo sobre o topo dacomposio de hastes, a certa velocidade, gerauma onda longitudinal de compresso que se propaga linearmente at o seu contato com osolo, que absorve parte da energia contida nestaonda. A energia no absorvida retorna aosistema sob a forma de ondas longitudinaisascendentes que atingem novamente o topo dacomposio de hastes, interagindo com omartelo sendo novamente refletidas composio. Este processo sucessivamenterepetido at que toda a energia que propaga nosistema martelo-haste-amostrador seja dissipadaou absorvida pelo solo.

Utilizando os conceitos de dinmica, o processo de propagao de ondas de tenso modelado numericamente atravs do mtododas diferenas finitas. A interao solo-amostrador representada pela fora dinmicade reao do solo ( F d), obtida a partir demodelo adimensional desenvolvido que

representa uma verso modificada do modelode interao solo-estaca idealizado por Smith(1960).

A propagao da onda longitudinal de tenso modelada pela interao entre os elementosdiscretizados (martelo, composio de hastes eamostrador) atravs da aplicao do princpiode equilbrio dinmico:

)()()()( t kut f t uC t um ext =+ &&& (1)

sendo )(t u&& a acelerao, )(t u& a velocidade e)(t u o deslocamento da partcula no instante t.

A fora f ext(t ) representa o pulso de cargadevido ao golpe do martelo.

O mecanismo de interao solo-amostrador modelado atravs da fora dinmica de reaodo solo (Fd) resultante de 3 componentes:

sd cd ad d F F F F ,,, ++=

(2)

onde F d,a, F d,c e F d,s representam a fora dereao do anel, do ncleo e de atrito lateral do

amostrador, respectivamente. Cada mecanismode reao ilustrado na Figura 1 atravs de ummodelo elasto-visco-plstico em condies decarregamento e descarregamento (Smith, 1960). Nesta abordagem, o modelo carga-deslocamento assumido por Smith, 1960 foi

modificado atravs de uma abordagemadimensional que altera o modelo originalmente proposto em doi aspectos (Lobo, 2009):

a) Os parmetros de entrada do modelo(Fu, Q e J) foram estimados a partir deexpresses tericas, atribuindo umcarter fsico para cada parmetro;

b) A contribuio das parcelas de reaonormal e cisalhante na interface solo-amostrador so convenientementemodeladas e estimadas para cada estgiode penetrao do amostrador, quedependendo da compacidade do solosimular um mecanismo de penetraode ponta aberta ou parcialmenteembuchado;

Fd,a

DeDi

plug

Fd,a

Fd,s

Fd,c

Fd,s

O

DeslocamentoC

C a r r e g a m e n t o

A

B

DE

Amplificao viscosa

Reao esttica

Deslocamento Elstico - Q

F

Deslocamento Plstico -

Figura 1: O mecanismo de interao solo-amostrador(Lobo, 2009).

O carregamento dinmico imposto duranteensaios SPT e LPTs mobiliza reao esttica eviscosa do estrato, que devem serapropriadamente quantificados por um processode calibrao em que a penetrao mdia porgolpe e os sinais de fora e velocidade sejamcapturados pelo modelo. Esta calibrao foiobtida atravs da simulao dos resultados deuma extensa campanha experimental relatada por Lobo (2009).

Reconhecendo que a validade da teoria daequao da onda, a fora transferida para acomposio de hastes durante o golpe domartelo funo da razo entre a seo


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transversal destes elementos, razovel avaliara influncia das caractersticas geomtricas dosistema de cravao nos mecanismos detransferncia de energia para o solo que seusefeitos no ndice de resistncia penetrao N-SPT .

3 A INFLUNCIA DO SISTEMA DECRAVAO EM ENSAIOS SPT

Objetivando avaliar a influncia dageometria do sistema de cravao utilizado na penetrao permanente de amostradores e naenergia efetivamente consumida no processo de penetrao dinmica de amostradores, foramrealizadas simulaes em dois perfis de solo dedistintas compacidades (ver Tabela 1)ainfluncia dos seguintes fatores:

a) A influncia da compacidade do solo nomecanismo de transferncia de energia para o estrato;

b) A influncia do martelo devido variabilidade da eficincia do golpe e dageometria;

c) A influncia da composio de hastesdevido a variabilidade da seo

transversal e comprimento.Tabela 1. Perfis Hipotticos de solo simulados Parmetros de resistncia e deformabilidade.

Solo compacidade 'v (kPa)

'()

G0 (MPa)

N160

Solo A fofa 100 32 40 5Solo C compacta 100 42 180 28

3.1 A influncia da compacidade do solo

Objetivando avaliar as diferenas nomecanismo de transferncia de energia devido acompacidade do solo, foi simulada a cravaodinmica de amostradores SPT nos perfishipotticos A e C associados com composiesde hastes AW de 3, 6 e 18m de comprimento,cravados por um martelo tipoSafety comeficincia do golpe de 60%. A Figura 2apresenta o mecanismo de transferncia deenergia do sistema martelo-haste-amostrador a partir de 1 golpe do martelo para composies

de hastes de 18m de comprimento.

0 10 20 30 40 50 60 70 80tempo (ms)

0

100

200

300

400

E n e r g

i a e n

t r e g u e a o s o

l o ( J ) Solo A

Solo C

L/c1 ciclo

L/c3 ciclo L/c

10 ciclo

Figura 2 - Efeito da compacidade do solo no mecanismode tranferncia de energia para o solo - composio dehastes AW de 18m.

Conforme pode ser observado na Figura2, o nmero de ciclos necessrios ao consumoda energia que viaja no sistema martelo-haste-amostrador est intrinsecamente relacionadocom a compacidade do perfil. Em solos fofos(solo A), devido a reduzida capacidade deabsoro de energia por ciclo, ocorre a reflexode ondas de grande intensidade, que retornamao sistema sob a forma de ondas descendentescom energia suficiente para provocar a penetrao do amostrador em diversos decarregamento. J em perfis compactos (solo C)a cravao dinmica de amostradores caracterizada pela elevada capacidade deabsoro de energia por ciclo de carregamento, produzindo um evento de cravao de maiscurto (i.e. menos ciclos de carga e descarga).

No exemplo apresentado na Figura 2, nos80 milisegundos de cravao apresentado,ocorrem 10 ciclos de carregamento edescarregamento que contribuem efetivamentena energia consumida e na penetrao permanente do amostrador, enquanto que, em para o perfil C apenas 3 ciclos de carregamentoso responsveis pelo evento de penetrao

dinmica mostrado.3.2 A influncia do martelo

3.2.1 Eficincia do golpe ( g)

Existem vrios tipos de martelos sendoutilizados na cravao do amostradores SPTcujas caractersticas podem diminuir ouaumentar a eficincia do golpe. Martelosautomticos de queda livre so geralmenteutilizados em pases europeus enquanto que osde queda com corda e tambor em rotao (e.g.


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Safety e Donut) so utilizados na Amrica do Norte e, apresentam eficincia mdia 45 a 60%(Cavalcante, 2002; Kovacs e Salomoni, 1994). No Brasil muito comum o uso de martelooperados manualmente, do tipo pino-guia comcorda de sisal deslizando sobre roldana fixa,

que possui eficincia mdia entre 72 e 76%(Odebrecht, 2003; Cavalcante 2002).Tendo em vista a complexidade dos

mecanismos de interao solo-amostrador emsolos de diferentes compacidades, a relao delinearidade entre a energia entregue ao solo emdiferentes sistemas de cravao e o N-SPTmedido sugerida por Seed et al (1985) foiavaliada.

Foi realizado um conjunto de simulaes dos perfis A e C com composies de haste AW de3, 6 e 18m de comprimento cravados por ummartelo tipoSafety , com eficincia de golpe ( g)varivel entre 10 e 100%. A Figura 3 apresentaos resultados desta anlise em funo da razoentre o valor de referncia N60,ref e o valor de N60 estimado a partir da soluo de Seed et al(1985) para os perfis de solo A e C.

Da Figura 3 possvel observar que a padronizao dos resultados de ensaios SPTatravs da soluo proposta por Seed et al

(1985) produz valores errneos dependendo dotipo de solo e da eficincia do sistema. Em perfis fofos (solo A) so observados errossuperiores a 10% para sistemas com eficinciainferior a 40% e superior 85%. Em perfis decompacidade densa (solo C), os errosassociados previso de N60 atingem valoressuperiores a 10% somente para sistemas comeficincia inferior a 40%.

A relao entre a energia efetivamenteconsumida no evento de cravao com onmero de golpes responsvel pela penetraodo amostrador no solo funo da compacidadedo estrato. Em solos fofos um impacto comreduzida eficincia de golpe ( = 10%) produzuma onda de tenso de fraca intensidade, querapidamente consumida, reduzindo a penetrao por golpe do amostrador. Emcontrapartida, quando uma alta velocidade deimpacto aplicada ( = 100%), ondascisalhantes de elevada intensidade so geradas, provocando um evento de cravao maisextenso (i.e mais ciclos de carregamento) e

como conseqncia, uma maior penetrao doamostrador.

0 20 40 60 80 100 120ERr (%)

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

N 6 0

/ N 6 0 , R e

f

Solo A

25%

20%

Faixa usual

a) Solo A

0 20 40 60 80 100 120

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

N 6 0

/ N 6 0

, R e

f

Solo C

20%

10%

Faixa usual

b) Solo C

Figura 3 - Avaliao de N60 a partir da soluo de Seed etal (1985).

Em perfis densos uma velocidade de impactoreduzida desenvolve uma onda de tenso defraca intensidade que, ao atingir o solo, serrefletida com reduzida energia, no sendo capazde produzir a penetrao do amostrador emciclos subseqentes de carregamento. Apesar demartelos com eficincia de 100% produziremeventos de cravao com mais ciclos de

carregamento, em solos densos a contribuiodestes ciclos na penetrao total do amostrador muito pequena, gerando penetraes proporcionais com o valor de referncia ( ER r =60%).

A compacidade do solo fator determinantena relao entre a energia transferida ao solo e ondice de resistncia penetrao medida. Doconjunto de simulaes realizadas sugere-se aadoo da equao 3 na estimativa do ndice deresistncia penetrao padronizado (N60):


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60 0.60r ER N N

=

(3)

onde representa a variabilidade do ndice deresistncia penetrao devido energia

transferida ao solo em funo da compacidadedo estrato. Do conjunto de simulaesrealizadas sugere-se: 7,03,0 += r D , sendo D r a densidade relativa do solo. Case salientar queem perfis de densidade relativa elevada (Dr = 1)a soluo equao 3 resulta na soluo de Seedet al (1985).

3.2.2 A geometria do Martelo

Para avaliar os efeitos da geometria do marteloenergia absorvida pelo solo e no ndice deresistncia penetrao, foram simuladosensaios SPT executados nos perfis hipotticosA e C combinados com composies de hastesAW de 3, 6 e 18m cravados por 3 tipos demartelos: Safety (com relao Lm/ Dm 15);

Donut ( Lm/ Dm 2) e Pino-guia ( Lm/ Dm 1). Os martelos tipo Safety e Donut so

tipicamente utilizados na prtica Norte-Americana enquanto que o tipo Pino-guia

difundido no Brasil (NBR 6484/2001). AsFiguras 4 e 5 apresentam os resultados destaanlise.

Em perfis fofos (solo A) a geometria domartelo produz mudanas discretas no ndice deresistncia penetrao. No entanto, em solosdensos observa-se uma variao de at 2 golpesno N-SPT devido variaes geomtricas domartelo.

Martelos chatos ( Lm/ Dm 1), como o Pino- guia utilizado na prtica brasileira, transferemmaior quantidade de energia durante o seu primeiro contato com a composio de hastes(ver Figura 5). Conforme discutido na seo3.1, a penetrao de amostradores em solosdensos caracterizada pela elevada capacidadede absoro de energia por ciclo decarregamento. O efeito combinado da maior damaior capacidade de absoro de energia comciclos de maior intensidade produz em umareduo do nmero de golpes necessrios penetrao do amostrador.

0 2 4 6 8 10 12 14 16Lm/Dm

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

N - S P T

40

50

60

70

80

90

E n e r g

i a e n

t r e g u e

a o s o

l o ( %

d e

4 7 5 J )

Energia3m6m18m

N-SPT3m6m18m

Solo A

Figura 4: Variao de energia e nmero de golpes devido variaes de geometria do martelo Solo A.

Conforme pode ser observado na Figura 5, para composies de hastes de 18m decomprimento, observa-se um acrscimo de8,5% na energia entregue ao solo e conseqentediminuio do ndice de resistncia penetrao N-SPT em 10% devido a umavariao de Lm/ Dm de 15 (Safety ) e 1 (Pino-guia).

0 2 4 6 8 10 12 14 16Lm/Dm

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

N - S

P T

50

60

70

80

90

100

E n e r g

i a e n

t r e g u e

a o s o

l o ( %

d e

4 7 5 J )

Energia3m6m18m

N-SPT3m6m18m

Solo C

D mx = 8,5%

10%

Figura 5: Variao de energia e nmero de golpes devido variaes de geometria do martelo Solo C.

3.3 Influncia da composio de hastes

3.3.1 A seo transversal

As distintas prticas internacionais de execuode ensaios SPT utilizam composies de hastescom diferente seo transversal. A prtica NorteAmericana, recomenda a utilizao de hastestipo A, com dimetro externo de 41,2mm einterno de 28,5mm (7,0 cm2), porm uma nota


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da ASTM D1586 relata que a utilizao dehastes tipo N (tipicamente utilizada NW com9,2 cm2) no produz mudanas significativasnos resultados de ensaios SPT. No Brasil,utilizam-se hastes do tipo AWJ que possuemseo transversal efetiva de 4,1 cm2.

Neste contexto, avaliam-se da influncia dotipo de composio de haste no valor de N-SPT.Foram realizadas simulaes numricas deensaios SPT nos perfis de solos A e Ccombinados com composies de hastes de 3, 6e 18m de comprimento, cravados por ummartelo tipoSafety com eficincia do golpe de60%. O efeito da seo transversal dacomposio foi avaliado a partir de 3 tipos dehaste: AWJ (4,1 cm2); AW (8,0 cm2) e NW (9,2cm2). Os resultados das simulaes soapresentados nas Figuras 6 e 7.

Em perfis fofos (solo A) a combinaoentre o aumento da seo transversal dacomposio de hastes e o aumentocomprimento, produz um acrscimo na energiatransferida para solo. Esta variao de energiaest relacionada com a contribuio da energia potencial gravitacional da composio devidoao acrscimo de massa com o aumento da seotransversal e comprimento. Como

conseqncia, o ndice de resistncia penetrao N-SPT reduz conforme ilustrado naFigura 6. Para composies de hastes de 18m,os resultados apresentados com hastes NWapresentam um ganho de energia de 13% (48J)e uma reduo de 14% (0,7 golpes).

Em perfis densos (solo C), observa-se que avariao da seo transversal da composio dehastes no produz diferenas significativas naenergia entregue ao solo. No entanto, hvariao no ndice de resistncia penetrao N-SPT. Em sistemas cravados com hastes AWJ,o efeito combinado da forte contribuio dos primeiros ciclos de carregamento no valor da penetrao permanente em solos densos com amaior energia entregue nos primeiros ciclos decarregamento produz uma reduo do valor de N-SPT quando comparado com sistemas decravao de hastes AW e NW. Paracomposies de 18m de comprimento, observa-se que uma variao de 2,5% na energiaentregue ao solo em funo da seo transversalda composio de hastes produz e uma variao

de 7% no ndice de resistncia penetrao.

2 4 6 8 10Seo transversal da haste (cm 2)

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

N - S

P T

40

50

60

70

80

90

E n e r g

i a e n

t r e g u e

a o s o

l o ( %

d e

4 7 5 J )

3m- N-SPT6m- N-SPT18m- N-SPT3m- Energia6m- Energia18m- Energia

Solo A

13%

13%

Figura 6 - Efeito da seo transversal da composio dehastes Solo A.

2 4 6 8 10Seo transversal da haste (cm 2)

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

N - S

P T

30

40

50

60

70

E n e r g

i a e n

t r e g u e

a o s o

l o ( %

d e

4 7 5 J )

3m- N-SPT6m- N-SPT18m- N-SPT3m- Energia6m- Energia18m- Energia

Solo C

7%

D mx = 2,5%

Figura 7 - Efeito da seo transversal da composio dehastes Solo C.

4.3.2 O comprimento da composio de hastes

Objetivando avaliar o efeito do comprimento dacomposio de hastes na energia absorvida pelosolo e no N-SPT, foram realizadas simulaesde sistemas cravados com martelo tipoSafety

com eficincia de 60% nos perfis de solo A e Cassociados com composies de hastes AW de3, 6 e 18m. Os resultados destas anlises soapresentados nas Figuras 8 e 9.

Diferentes comprimentos de hastes produzem diferenas no mecanismo deinterao entre o martelo e o topo dacomposio de hastes, gerando impactossubseqentes em diferentes estgios de penetrao que podem ou no contribuir para odeslocamento permanente do amostrador. Emcomposies curtas o tempo de cada ciclo decarregamento menor, produzindo uma


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condio favorvel para a contribuio degolpes subsequentes na penetrao permanentedo amostrador.

0 40 80 120 160 200tempo (ms)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

E n e r g

i a e n

t r e g u e a o s o

l o ( J )

3m - Energia6m - Energia18m - Energia3m - Dr

6m - Dr

18m - Dr

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

P e n e

t r a o m

d i a p o r g o

l p e D r

( m )

Solo A

70J (22%)

40J (12%)

30J (7,7%)

Figura 8 - Efeito do comprimento da composio dehastes Solo A.

Golpesubsequente

5J (1,7%)

Golpesubsequente

2J (

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Comp. de Hastes (m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

N - S

P T

Amrica do Norte - N-SPTBrasil - N-SPT

Amrica do Norte - EnergiaBrasil - Energia

50

60

70

80

90

100

E n e r g

i a e n

t r e g u e

a o s o

l o ( %

d e

4 7 5 J )

Solo A

Figura 10 Sistema de cravao Norte Americano vs.Brasileiro Solo A.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Comp. de Hastes (m)

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

N - S

P T

Amrica do Norte - N-SPTBrasil - N-SPT

Amrica do Norte - EnergiaBrasil - Energia

50

60

70

80

90

100

E n e r g

i a e n

t r e g u e

a o s o

l o ( %

d e

4 7 5 J )

Solo C

3 golpes(10%)

4 golpes(13%)

Figura 11 Sistema de cravao Norte Americano vs.Brasileiro Solo C.

5 CONCLUSES

As diferentes prticas regionais produzemvariaes no ndice de resistncia penetraode ensaios SPT que so influenciados pelageometria do martelo e composio de hastes.

Apesar da variabilidade associada comanlises realizadas, no representarem umerros inaceitveis de resultados de ensaios

SPT importante mencionar que esta margemde erro representa apenas a variabilidade dosequipamentos utilizados que, no ponto de vistados autores, muito elevada. Somando a estesaspectos, fatores como a dependncia dooperador alm de questes como variaes naaltura de queda do martelo, estado do sistemade acionamento e os efeitos de flambagem eluvas da composio proporcionam a execuode ensaios SPT com resultados no confiveis ede difcil aplicao em abordagens empricas.

Diante da variabilidade da energiadisponibilizada pelos diferentes equipamentos

utilizados enfatiza-se a necessidade decalibrao dos equipamentos, alm dotreinamento dos operadores para que abordem aatividade realizada como execuo de ensaio.

Conclui-se que, somente atravs de umaanlise racional, dos efeitos dinmicos e

estticos produzidos no solo durante a execuode ensaios dinmicos possvel interpretar osresultados de forma adequada e reduzir avariabilidade dos resultados obtidos.

REFERNCIAS

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Documents

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