Ensaio de Cone (CPT) e de Piezocone (CPTU)

Objetivos

Procedimentos

Os ensaios de cone, executados com monitoramento mecânico ou elétrico, são conhecidos internacionalmente há várias décadas como “Cone Penetration Test”, com a sigla CPT. O ensaio consiste na cravação estática de uma haste cilíndrica com ponta cônica, medindo-se a resistência de ponta e o atrito lateral. Mais recentemente, foi desenvolvido o Ensaio de Piezocone (CPTU), que utiliza um transdutor piezométrico na ponta cônica. No ensaio de Piezocone, obtém-se, portanto, o registro das poropressões durante a cravação do cone, além das medições usuais do ensaio de CPT (resistências de ponta e de atrito lateral). Adicionalmente, pode-se interromper o ensaio CPTU para monitorar a dissipação da poropressão registrada na ponta cônica, ao longo do tempo. Este procedimento permite a estimativa do coeficiente de adensamento do solo.

Os ensaios de cone e piezocone fornecem indicações detalhadas sobre o perfil estratigráfico do terreno e permitem a estimativa de diversos parâmetros geotécnicos, com base em expressões empíricas. A Tabela 2.9 apresenta os principais parâmetros que são usualmente estimados através do ensaio de piezocone.

Tabela 2.9 – Parâmetros estimados através do ensaio de Piezocone

O procedimento padrão do ensaio de cone consiste na cravação estática da ponteira cônica (com 60º de ápice) sob velocidade constante de 20mm/s. A seção transversal do cone é normalmente de 10cm², podendo atingir 15cm² para equipamentos mais robustos. Existem diferentes tipos de equipamentos, que podem ser classificados em três categorias: (a) o cone mecânico, caracterizado pela medida na superfície, com a transferência mecânica pelas hastes, dos esforços necessários para cravar a ponta cônica q_c e o atrito lateral f_s; (b) o cone elétrico, cujas células de carga instrumentadas permitem a medida de q_c e f_s diretamente na ponteira e (c)

Areias

Densidade relativa (D_R) Ângulo de atrito efetivo (f’) Coeficiente de empuxo no repouso (k_o)

Módulo de Young (E) Módulo edométrico (M) Módulo cisalhante máximo (G_max)

Argilas

Razão de pré-adensamento (OCR) Resistência não drenada (S_u) Coeficiente de empuxo no repouso (k_o)

Módulo de Young não drenado (E_u) Módulo edométrico (M) Módulo cisalhante máximo (G_max)

Sensitividade (S_f)

Coeficiente de adensamento (c_h ou c_v)

o piezocone, que além das medidas elétricas de q_c e f_s, permite o monitoramento contínuo das poropressões geradas durante o processo de cravação. A Figura 2.68 apresenta uma ilustração típica do piezocone. Um aspecto importante do piezocone é a falta de consenso em relação à localização do elemento filtrante, para registro das poropressões geradas durante a cravação (Robertson et al, 1992; Schnaid et al, 2000). A escolha de uma posição particular: ponta (u₁), base (u₂) ou luva (u₃) dependerá da aplicação dada às poropressões registradas no ensaio.

O equipamento de cravação consiste de uma estrutura de reação sobre a qual é montado um sistema de aplicação de cargas. Em geral, são utilizados sistemas hidráulicos para essa finalidade, sendo o pistão acionado por uma bomba hidráulica acoplada a um motor de combustão ou elétrico. A penetração é executada através da cravação contínua de hastes de comprimento de 1.00m, seguida da retração do pistão hidráulico para posicionamento de nova haste.

O conjunto pode ser montado sobre um caminhão, cuja capacidade varia entre 10 e 20 toneladas.

A reação aos esforços de cravação é obtida pelo peso próprio do equipamento.

O principal atrativo do ensaio é o registro contínuo da resistência à penetração, fornecendo uma descrição detalhada da estratigrafia do subsolo.

A Figura 2.69 apresenta alguns resultados típicos de ensaios de piezocone. No caso do CPT, as grandezas medidas são: resistência de ponta q_c e atrito lateral f_s. A razão de atrito R_f (= f_s / q_c) é o primeiro parâmetro derivado do ensaio, utilizado na classificação dos solos.

Os resultados apresentados na Figura 2.69 mostram um perfil de solo com estratigrafia

Figura 2.68 – Ilustração do Piezocone.

Equipamento

Apresentação dos Resultados

bastante variável composta de estratos de areia, argila e silte-argiloso. As camadas de areia são identificadas por valores de q_c relativamente elevados (10 a 20MPa) combinados a valores de R_f da ordem de 1%. As camadas de argila se caracterizam por um padrão oposto, com baixos valores de q_c e razões de atrito acima de 5%. A classificação do tipo de solo pode ser obtida através do gráfico apresentado na Figura 2.70 que relaciona qc com R_f (Begemann, 1965;

Sanglerat, 1972; Shemertmaann, 1978; Douglas e Olsen, 1981 citados por Schnaid, 2000).

Figura 2.69 – Resultados Típicos de um Ensaio de CPT (Schnaid, 2000).

Figura 2.70 – Ábaco para classificação do tipo de solo sedimentar (Robertson e Campanella, 1983 citado por Schnaid, 2000).

A diferença do ensaio de CPT para o CPTU ou piezocone é a leitura de poro-pressão durante o processo de cravação. Essa distinção é notada através da obtenção de um novo parâmetro de classificação denominado B_q.

Onde:

u₀ é a pressão hidrostática;

s_vo é tensão vertical in situ.

A medição da poropressão no ensaio CPT proporciona maior sensibilidade na detecção de camadas drenantes delgadas e poucos centímetros de espessura. A Figura 2.71 exemplifica um perfil típico de piezocone na qual são medidas q_t, R_t, u_o, u e B_q ao longo da profundidade.

(2.8) (2.111)

B =_q (u - u )_{2 0} (q_tvo)

Nessa figura é possível identificar com clareza a presença de uma camada de argila mole com espessura aproximada de 15.00m, caracterizada por baixos valores de qt e geração significativa de excesso de poro-pressão. A existência de uma lente de areia à profundidade de 5.50m é detectada pelo aumento pontual de q_t e Du=0.

A Figura 2.72 apresenta alguns ábacos que permitem classificar amostras de solo ensaiadas através do ensaio de piezocone relacionando q_t com B_q.

Figura 2.71 – Resultado de um ensaio de piezocone (Schnaid, 2000).

Zona

1 2 3 4 5 6

Comportamento do solo

Solo fino sensível Material orgânico

Argila

Argila siltosa – argila Silte argiloso – argila siltosa Silte arenoso – silte argiloso

Zona

7 8 9 10 11 12

Comportamento do solo

Areia siltosa – silte arenoso

Areia – areia siltosa Areia

Areia grossa – areia Solo fino – duro

Areia – areia argilosa (cimentação) b) Robertson e outros, 1986 citado por Schnaid, 2000 incluindo a experiência brasileira.

a) Senneset e Janbu, 1984 citado por Schnaid, 2000 incluindo a experiência brasileira.

Figura 2.72 – Sistemas de classificação das argilas utilizando ábacos q_t x B_q.

A partir dos resultados de ensaios de piezocone, podem ser estimadas várias propriedades de solos argilosos e arenosos, conforme descrito a seguir.

1. Resistência não-drenada (S_u)

A resistência não drenada pode ser estimada a partir das equações propostas por Lunne et al (1997):

onde N_KT e NDu são os fatores de cone em termos de resistência de ponta e de poropressão, respectivamente. Os valores de N_KT e N_Du podem ser estimados através de ábacos ou previamente obtidos a partir de correlações entre ensaios de piezocone e de palheta.

2. Coeficiente de Adensamento Horizontal c_h do solo

Ensaios de dissipação do excesso de poropressões geradas durante a cravação do piezocone no solo podem ser interpretados para a obtenção do coeficiente de adensamento horizontal (c_h).

O ensaio consiste em interromper a cravação do cone em profundidades pré-estabelecidas, por um período de aproximadamente 1 hora, até atingirem-se 50% de dissipação do excesso de poropressão.

O método de estimativa de c_h mais utilizado é o proposto por Houlsby e Teh (1988) que leva em conta o índice de rigidez I_r do solo:

Solos Argilosos

(2.8) (2.112)

S_uq_Tvo

(2.8) (2.113)

S_{uu u}

(2.8) (2.114)

C = T*.R .I /t_h ² _r^1/2

Onde:

R = raio do piezocone;

t = tempo de dissipação;

I_r = índice de rigidez (I_r = G/S_u);

G = módulo de cisalhamento do solo.

T* = fator tempo, obtido a partir da Tabela 2.10 para as duas posições mais utilizadas do elemento poroso.

3. História de Tensões

O conhecimento da magnitude da tensão de pré-adensamento do solo é fundamental na análise do comportamento de depósitos de argilas moles.

A história de tensões de um depósito, ou seja, a variação da tensão de pré-adensamento (s_’vm) com a profundidade pode ser estimada através das seguintes correlações propostas por Mayne e Holtz (1988):

Fator tempo T*

Du/D

u

_o

(%) Elemento poroso na

face do cone (u

_t

) Elemento poroso na

Tabela 2.10 – Fator tempo T* para análise dos ensaios de dissipação (Houlsby e Teh, 1988).

(2.8)

(2.8) (2.117)

’_vm= 0,54 (u - u )_{b o}

Onde: s’_vo = tensão vertical in situ;

u_T = poropressão medida na face do cone;

u_b = poropressão medida na base do cone;

u_o = poropressão hidrostática.

A razão de pré-adensamento (OCR) de um depósito argiloso pode ser então determinada através da equação:

1. Densidade Relativa

Para solos granulares, a medida da resistência de ponta do cone (q_T) pode ser utilizada na previsão da densidade relativa (D_r). Pesquisas em câmaras de calibração foram determinantes para o desenvolvimento de correlações, gradativamente incorporadas à prática de engenharia (Robertson & Campanella, 1988; Jamiolkowski, et al, 1985) O valor de D_r pode ser determinado através da equação:

sendo qc e s’_vo expressos em t/m².

2. Ângulo de atrito interno do solo (f’)

A partir do valor da densidade relativa do solo, pode-se obter o ângulo de atrito através das seguintes correlações:

(2.8) (2.118)

OCR =’vm/ ’ vo

Solos Arenosos

(2.8) (2.119)

D = -98 + 66log (q / ( ’ ) )_{r 10 c vo} ^0.5

(2.8) (2.120)

(1.49-D ).tan ’ = 0.712_r

(2.8) (2.121)

’ = 33 + {3.[D (10-Inp’)-1]}r

3. Módulo de Deformabilidade (E)

Inúmeras correlações entre o módulo de deformabilidade e a resistência à penetração (q_c) têm sido propostas na literatura. No entanto, na ausência de correlações desenvolvidas e validadas para solos arenosos brasileiros, recomenda-se a utilização da expressão de Baldi et al (1981) para uma primeira estimativa do módulo E_25:

O ensaio de palheta é um método semi-indireto de investigação do subsolo. Este tipo de ensaio não fornece informações sobre a natureza do terreno, sendo estas informações obtidas a partir de correlações indiretas.

O principal objetivo dos ensaios “Vane” é a determinação da resistência ao cisalhamento não-drenada de um estrato argiloso, podendo-se obtê-la tanto para amostras em estado indeformado, quanto para amostras em estado deformado ou amolgado. A partir de variações das formas e dimensões da palheta, pode-se ainda investigar a anisotropia da resistência não-drenada do material.

Onde: E₂₅ = módulo de deformabilidade correspondente a 25% da tensão desviadora máxima.

(2.8) (2.122)

E = 1.5.q_{25 c}

2.8.3 Ensaios de Palheta (“Vane Test”)

No documento Reforço de solos. Manual Técnico. Distribuição Gratuita. Maccaferri do Brasil MM /2013 (páginas 106-115)