Estudo da Velocidade de Penetração do Penetrômetro T-bar
Através de Ensaios Centrífugos
Marcela Penha Pereira Guimarães
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro-RJ, Brasil, marcelacivil@poli.ufrj.br
Pablo Cesar Trejo Noreña
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro-RJ, Brasil, cesartrejonor@gmail.com
Juliana Azoia Lukiantchuki
Universidade Estadual de Maringá, Maringá-PR, Brasil, jazoia@yahoo.com.br
José Renato Moreira da Silva de Oliveira
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro-RJ, Brasil, jrmso70@gmail.com
Maria Cascão Ferreira de Almeida
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro-RJ, Brasil, mariacascao@globo.com
Diego de Freitas Fagundes
Universidade Federal do Rio Grande, Rio Grande-RS, Brasil, dffagundes@gmail.com
RESUMO: O presente trabalho de pesquisa apresenta um estudo preliminar da interação solo-riser em solos moles através da realização de ensaios centrífugos. Inicialmente foram realizados ensaios de caracterização na amostra de caulim previamente selecionada, visando fundamentalmente determinar o coeficiente de adensamento do solo. Os ensaios centrífugos foram realizados na mini centrífuga de braço, recentemente adquirida na COPPE/UFRJ. Basicamente, os ensaios foram divididos em duas fases distintas: fase de adensamento e fase de penetração. O processo de adensamento para o caulim puro durou cerca de 2 horas, utilizando uma aceleração de 100 G. Na fase de penetração utilizou-se um mini penetrômetro T-bar projetado especificamente para esses ensaios. Os resultados permitiram construir a curva Backbone do material e através desta curva foram analisados os efeitos da velocidade de penetração imposta pelo atuador. Observou-se que para uma velocidade de atuação entre 0.39 e 0.78 mm/s o material apresenta comportamento não drenado e o atuador a ser empregado nos ensaios tem seu acionamento feito a uma velocidade adequada.
PALAVRAS-CHAVE: Modelagem física, Ensaios centrífugos, Penetrômetro T-bar, Velocidade de penetração.
1 INTRODUÇÃO
Atualmente a modelagem centrífuga representa uma excelente ferramenta geotécnica de investigação, possibilitando a análise de problemas reais através da utilização do próprio solo como material.
Modelos construídos com solo podem ser acelerados em uma centrífuga de modo a serem submetidos a um campo inercial de aceleração
radial que simula o campo gravitacional terrestre, porém em uma escala N vezes maior.
Dentre as principais vantagens da utilização de modelos centrífugos estão às relações de escala entre protótipo e modelo na redução do tempo de adensamento e das dimensões dos modelos.
Segundo Oliveira (2005), o desenvolvimento de novas técnicas de simulação em ensaios centrífugos levou à necessidade de um
aprofundamento no conhecimento dos parâmetros de resistência das camadas utilizadas. Isto proporcionou à concepção de ensaios de penetração durante a fase de vôo. No entanto, para o caso de solos moles, existe uma grande dificuldade, relacionada à questão de escala, que se reflete na miniaturização tanto do ensaio de palheta quanto do ensaio de cone. Assim, visando suprir esta deficiência, Stewart e Randolph (1991) desenvolveram uma ferramenta denominada de
Penetrômetro barra T (T-bar). A principal
finalidade é fornecer um perfil contínuo de resistência, onde os valores de resistência ao cisalhamento do solo são menos dependentes de correlações empíricas (Oliveira, 2005).
A Figura 1 apresenta uma visão esquemática do penetrômetro T-bar, que de uma maneira geral consiste na simples adaptação de uma barra cilíndrica, no lugar do cone, posicionada na ponta do penetrômetro tradicional. A barra cilíndrica é empurrada contra o solo e a resistência à penetração medida através de uma célula de carga de alta sensibilidade.
Figura 1. Detalhamento do penetrômetro T-bar (Almeida, 2013).
Os resultados são interpretados utilizando-se a solução plástica para o problema de uma pressão limite atuando em um cilindro infinitamente longo, totalmente imerso no meio, empurrado contra um solo coesivo (Equação 2) (Stewart and Randolph, 1991).
b N D Su P (2)
onde P é a força por unidade de comprimento atuante no cilindro, D é o diâmetro do cilindro,
Su é a resistência não drenada do solo e Nb e o
fator de barra, adotado igual a 10.5
considerando-se a superfície de barra como lisa (Randolph e Houlsby, 1984).
Apesar das normas e das recomendações internacionais utilizarem como referência a realização de ensaios de penetração com uma velocidade igual a 20 5 mm/s, muitas questões têm sido levantadas a respeito dos efeitos da variação da velocidade de penetração, tanto nos registros de resistência, quanto na obtenção de informações adicionais do solo a partir desses registros.
Este trabalho de pesquisa tem como objetivo apresentar um estudo da velocidade de penetração do penetrômetro T-bar através de ensaios centrífugos utilizando uma amostra de caulim para representar o comportamento de solo mole. Através desses ensaios determinou-se a faixa de velocidade adequada para que o material apresente comportamento não drenado durante a fase de investigação do comportamento da interação solo-riser.
2 EQUIPAMENTOS
2.1 Centrífuga Geotécnica
Os ensaios apresentados neste trabalho foram realizados em uma mini-centrífuga de braço (Figura 2), adquirida em 2012 e pertecente ao Laboratório de Geotecnia da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ/COPPE). Esse equipamento possibilita a realização conjunta de diferentes tipos de ensaios, tanto em materiais caracterizados como argila mole como em materiais mais resistentes, tais como areias.
A centrífuga de braço é um equipamento que trabalha sob elevados valores de aceleração (aceleração inercial máxima de cerca de 300 a gravidade). A centrífuga possui um diâmetro de 1.6 m capaz de girar com uma velocidade angular de 638 rpm.
Os modelos geotécnicos instrumentados são colocados em duas caixas suspensas através de pivôs. Conforme a velocidade aumenta, as caixas giram e ficam na posição horizontal submetendo os modelos ao nível de aceleração aplicado na centrífuga.
As caixas da centrífuga são feitas de alumínio específico para altas tensões. Essas caixas permitem realizar ensaios utilizando
amostras de 0.10 m de largura, 0.30 m de comprimento e 0.18 m de altura. Os valores máximos de carga nas posições F2 e F3 são 4.5 kN e 2.0 kN, respectivamente (Figura 3).
Figura 2. Mini centrífuga geotécnica de braço.
Figura 3. Esquema de montagem da caixa da centrífuga (Broadbent Inc., 2011).
Para os ensaios experimentais deste trabalho de pesquisa será utilizado um atuador servo-controlado bidirecional (Z-X) adquirido especificamente para promover a interação solo-riser nas direções vertical, horizontal e axial (Figura 4). Este atuador em conjunto com o sistema de drivers, possibilita a inserção (eixo Z) do penetrômetro T-bar na camada de solo e o seu movimento ao longo do comprimento da caixa de amostra (eixo X).
Figura 4. Atuador bidirecional. 2.2 Instrumentação
Basicamente, os ensaios centrífugos são conduzidos através de duas fases distintas: adensamento e penetração do T-bar. No controle da fase de adensamento, realizado através do monitoramento dos valores de pressão neutra, utilizam-se transdutores de poro pressão (PPT) devidamente posicionados na camada de solo (Figura 5).
Além do monitoramento dos valores de pressão neutra também são realizadas leituras para o controle da variação da altura da camada de solo. Esse controle permite estimar o recalque total ocorrido na camada após o fim do processo de adensamento. Basicamente, utilizam-se dois tipos de ferramentas para essas medidas, sendo essas: transdutores de deslocamento (LVDT’s) e sistema de laser. Os LVDT’s tem sido utilizados para os casos onde os ensaios possuem nível d’água. Esses ensaios, quando monitorados através do sistema de laser apresentam refrações/reflexões indesejadas que influenciam nas leituras. Desta forma, utiliza-se o sistema de laser, preferencialmente, em ensaios sem nível d’água.
Na segunda fase dos ensaios, foi realizada a penetração no solo de um penetrômetro T-bar de 7 mm de diâmetro e 65 mm de altura (Figura 6) projetado para ensaios centrífugos realizados com uma aceleração de até 100 G. A barra cilíndrica é empurrada contra o solo e a resistência à penetração é medida através de um célula de carga, posicionada acima da barra horizontal (Figura 6).
Atuador bidirecional
Figura 5. Transdutor de poro pressão.
Figura 6. Penetrômetro T-bar.
3 ENSAIOS EXPERIMENTAIS
3.1 Caracterização da amostra
O comportamento de argila muito mole (Su
3 kPa) e argila mole (Su 15 kPa) em ensaios centrífugos tem sido reproduzido através da utilização de amostras de caulim. A amostra, utilizada neste trabalho de pesquisa, foi escolhida com base em resultados de ensaios de análises físico-químicas e ensaios de limites de consistência. Os ensaios foram conduzidos utilizando-se 4 amostras diferentes e os critérios para escolha foram:
A faixa ideal de pH em H2O deve situar-se
em torno de 4.0;
O valor do grau de intemperismo (Ki) deve situar-se em torno de 2.0; e
O valor residual sob o ataque sulfúrico (Res) deve ser o menor possível.
A Tabela 1 apresenta o resumo dos resultados de caracterização do caulim
escolhido para os ensaios.
Tabela 1. Resultados de caracterização da amostra de caulim. pH Ataque sulfúrico H2O Ki Res. (%) 4.84 1.98 6.28 Limites de consistência WL (%) WP (%) IP 54 20 34 3.2 Ensaios de adensamento
A fim de caracterizar a amostra de argila (caulim) foram realizados ensaios de adensamento da argila moldada para quatro teores de umidade: um conjunto de amostras no limite de liquidez e outros três conjuntos de amostras com 20%, 40% e 50% acima do limite de liquidez.
Os ensaios foram realizados com estágios variando de 1.5 kPa a 400 kPa, sendo que para cada estágio de carregamento foram obtidas curvas de leitura do extensômetro versus raiz do tempo. O coeficiente de adensamento do solo (cv) foi obtido aplicando-se o método de Taylor
para cada um dos referidos estágios de carregamento (Tabela 2).
Tabela 2. Valores do coeficiente de adensamento (cv) para os diferentes estágios do ensaio.
’v (kPa) cv (m2/s) w=LL w=1.2LL w=1.4LL w=1.5LL 6.25 1.754×10-7 1.961×10-7 3.576×10-7 2.798×10-7 12.5 3.125×10-7 2.880×10-7 4.218×10-7 4.495×10-7 25 4.124×10-7 4.179×10-7 7.125×10-7 7.427×10-7 50 9.760×10-7 7.810×10-7 1.227×10-6 1.123×10-6 100 1.395×10-6 1.431×10-6 2.516×10-6 1.973×10-6 200 1.653×10-6 2.255×10-6 3.541×10-6 2.976×10-6 400 1.782×10-6 2.171×10-6 5.084×10-6 4.478×10-6
As Figuras 8 e 9 apresentam as curvas de índices de vazios e deformação volumétrica
versus tensão, respectivamente.
Estes ensaios foram realizados a fim de se Penetrômetro T-bar Célula de carga Haste
obter o valor de umidade que apresentasse a melhor consistência para a preparação das amostras de caulim utilizadas nos ensaios centrífugos. 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1 10 100 1000 Ind ice de V az ios
Tensão efetiva vertical (kPa)
1,0LL 1,2LL 1,4LL 1,5 LL
Figura 8. Índice de vazios versus tensão.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 1 10 100 1000 Defo rmação v olu met rica (% )
Tensão efetiva vertical (kPa)
w = 1,0LL w = 1,2LL w = 1,4LL w = 1,5LL
Figura 9. Deformação volumétrica versus tensão. 3.3 Ensaios centrífugos
A seguir serão apresentados os resultados dos ensaios centrífugos monitorados durante a fase de adensamento e durante a fase de penetração T-bar. A Tabela 3 mostra a quantidade de ensaios programados em cada fase, os valores de velocidade de penetração e o tempo necessário para que ocorra a penetração de 20 mm.
O perfil de resistência não drenada (Su) (Equação 2) foi determinado com base nos valores de penetração do penetrômetro T-bar, realizado utilizando-se o atuador vertical. Nestes ensaios utilizaram-se as amostras de Caulim preparadas com umidade 1,5LL.
Tabela 3. Valores de velocidade de penetração e tempo.
Ensaio v (mm/s) V Taxa de aquisição (Hz) t(s) 1 0.11 0.5 1 181.8 0.22 1.0 10 90.9 2 1.08 5.0 10 18.5 2.15 10.0 10 9.3 3 6.46 30.0 10 3.1 6.90 32.00 10 2.9 4 0.15 0.7 10 133.3 0.45 2.1 10 44.4 3.5 16.2 10 5.7 3.1.1 Fase de adensamento
As Figuras 10 e 11 apresentam curvas típicas de poro pressão e deslocamento versus tempo, obtidas através dos registros dos transdutores de poro pressão e deslocamento, localizados na base e na metade da camada de solo.
Os gráficos de poro pressão indicam que ocorre um decréscimo siginificativo nos valores devido à perda de água. O tempo total de adensamento do primeiro ensaio foi de 24 h (Figura 10). Neste ensaio observou-se que o tempo de adensamento não ultrapassava 4 h. Desta forma, nos demais ensaios o tempo de ensaio nesta fase foi diminuido (Figura 11).
Figura 10. Curvas de poro pressão e deslocamento versus tempo.
Figura 11. Curvas de poro pressão e deslocamento versus tempo.
Em alguns ensaios o sensor de poro pressão, localizado no meio da camada, apresentou problemas de leitura. Este fato pode estar associado à entrada de água no sensor através do cabo. O comportamento deste sensor deverá ser melhor investigado em ensaios complementares. Para esses casos, utilizou-se como referência o sensor posicionado na base da caixa.
Os transdutores de poro pressão apresentaram um comportamento adequado. Adicionalmente, observou-se um recalque de aproximadamente 13 mm após a imposição da aceleração de 100 G (Trecho AB) (Figura 10) e 22 mm (Figura 11).
3.1.2 Fase de penetração
As Figuras 12 e 13 apresentam perfis típicos de resistência não drenada obtidos através de ensaios centrífugos. Um comportamento geotécnico semelhante aos resultados obtidos com amostras de Caulim do presente estudo, também foram observados em o argilas marinhas da região da bacia de Campos em Fagundes et al. (2010).
O comportamento do solo é altamente influenciado pelo seu estado de tensões. Desta forma é importante simular no modelo (m) o mesmo estado de tensõs no protótipo (p) para
que as análises realizadas no modelo possam ser válidas para o protótipo. Com este objetivo, um modelo N vezes menor do que o protótipo é submetido a um ensaio centrífugo a uma aceleração Ng. Desta forma para as profundidades hp e hm, respectivamente de
protótipo e modelo, tem-se: p vp h (3) vp vm (4) ) ( N h N h N m p vm (5)
Figura 12. Perfil de resistência não drenada do solo versus profundidade, para uma velocidade de penetração de v= 0.11 mm/s (Ensaio 1).
Figura 13. Perfil de resistência não drenada do solo versus profundidade, para uma velocidade de penetração de v= 1.08 mm/s (Ensaio 2).
A fim de validar a comparação entre o modelo e o protótipo foram traçados os gráficos de tensão vertical, no modelo e no protótipo,
versus profundidade (Figura 14).
Figura 14. Tensão vertical versus profundidade para o modelo (hm) e o protótipo (hp).
4 ANÁLISE DOS RESULTADOS
O objetivo principal desses ensaios experimentais foi construir o gráfico dos valores de resistência normalizada (Q) (Equação 6)
versus velocidade adimensional (V),
denominado curva Backbone (Equação 7) (Finnie e Randolph, 1994): máx F F Q (6) D c V v v (7)
onde F é a força, Fmáx é o valor de força
máxima, v é a velocidade de penetração, cv é o
coeficiente de adensamento vertical do solo e D é o diâmetro da barra do amostrador.
Através da análise deste gráfico é possível definir o trecho onde o material apresenta comportamento não drenado e desta forma definir a velocidade ideal para a realização de outros ensaios centrífugos que possuam outras finalidades, tais como o estudo da interação solo-riser.
A Tabela 4 apresenta os valores de força nas profundidades de 12, 15 e 20 mm obtidos
durante a penetração do penetrômetro T-bar. Tabela 4. Valores de força e velocidade de penetração para as profundidades de 12, 15 e 20 mm. Teste v (mm/s) V Força (N) 12mm 15mm 20mm 1 0.11 1.56 10.44 13.96 15.35 0.22 3.12 12.4 17.12 26.69 2 1.08 15.30 3.89 5.19 6.66 2.15 30.45 4.26 5.43 2.55 3 6.9 97.73 3.47 4.08 1.86 4 0.15 2.12 4.15 5.53 9.45 0.45 6.37 3.66 5.02 7.27 3.5 49.58 2.56 3.79 5.13 A Figura 15 mostra a curva de resistência normalizada versus velocidade adimensional (V). Observa-se que para a curva ajustada (Oliveira et al., 2011; Almeida et al., 2013) a partir dos pontos experimentais a inflexão ocorre aproximadamente no valor de V correspondente a 10. Desta forma, para os valores de V menores do que 10 obtem-se uma condição entre parcialmente drenada e drenada do caulim puro. 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000 R es is tênc ia Nor mal iza da Velocidade Adimensional Prof. de penetração=12 mm Prof. de penetração=15 mm Curva ajustada
Figura 15. Curva de resistência normalizada versus velocidade normalizada para profundidades de penetração de 12 e 15 mm.
Baseado nesses resultados realizou-se uma análise comparativa entre os pontos com velocidade adimensional (V) entre 10 e 20, de forma a garantir o regime não-drenado. Para isto, comparou-se os valores de velocidade de penetração (v) e os valores de diâmetro do riser do modelo (Dm) (Tabela 5). Adotou-se um valor
diâmetro é possível realizar a instrumentação adequada. Diâmetros inferiores apresentam a instrumentação inviabilizada.
A análise dos dados permite concluir que para o solo estudado, ensaios conduzidos com valores de velocidade adimensional entre 10 e 20, garantem o comportamento não drenado na amostra e o funcionamento adequado do atuador. Isto porque a velocidade máxima alcançada por este equipamento deve ser inferior a 6.9 mm/s. Desta forma, para o diâmetro do modelo do duto de 9 mm, os ensaios experimentais podem ser realizados com velocidades do atuador entre 0.39 e 0.78 mm/s (Tabela 5). A variação da aceleração centrífuga, mantendo as demais condições constantes, permite a simulação com diferentes diâmetros do duto do protótipo.
Tabela 5. Valores de velocidade de penetração e tempo (10 < V < 20 e Dm= 9 mm). V Dm (mm) v (mm/s) t(s) 10 9 0.39 22.95 11 9 0.43 20.86 12 9 0.47 19.12 13 9 0.51 17.65 14 9 0.55 16.39 15 9 0.59 15.30 16 9 0.63 14.34 17 9 0.67 13.50 18 9 0.71 12.75 19 9 0.75 12.08 20 9 0.78 11.47 4 CONCLUSÃO
Os ensaios centrífugos apresentados neste trabalho de pesquisa permitiram obter as seguintes conclusões:
O decréscimo nas curvas de poro pressão permitiu concluir que o sistema sofre perda de poro pressão devido à perda da água. Desta forma é fundamental a implementação de válvulas solenóides para manter o nível d’água constante;
O tempo de adensamento do caulim puro no modelo é de aproximadamente 2 horas para um nível de aceleração de 100 G;
O sistema de aquisição de dados possui
uma capacidade máxima de registro de 5000 pontos. Assim recomenda-se utilizar para a primeira hora da fase de adensamento uma frequência de 1 Hz e após esse tempo utilizar um período de registro de 10 s;
A máxima velocidade alcançada pelo atuador foi de 6.9 mm/s, não sendo recomendada a realização de ensaios com valores de velocidade superior a esse valor;
O material ensaiado apresentou comportamento em condições não drenadas a partir de V igual a 10, com uma velocidade de penetração de 0.39 mm/s e diâmetro do duto (modelo) de 9 mm. Ensaios que simulem a condição não drenada poderão ser realizados com valores de velocidade entre 0.39 e 0.78 mm/s.
REFERÊNCIAS
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Finnie, I.M.S e Randolph, M.F. (1994). Punch-through and liquefaction induced failure of shallow foundations on calcareous sediments, Proceedings
International Conference on Behaviour of Off-Shore Structures –BOSS ’94, Boston, Vol. 1, p. 217-230.
Oliveira, J.R.M (2005). Modelagem em centrífuga de um problema de interação solo estrutura, Tese de Doutorado, Programa de Pós-Graduação da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ/COPPE), Departamento de Engenharia Civil, 335 p.
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