UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS- DECEEng
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
CARLA PATRICIA SCHULTZ COPPETI
ANÁLISE DE SONDAGENS SPT-T EM SOLOS RESIDUAIS DE BASALTO NA CIDADE DE IJUÍ-RS
Ijuí
ANÁLISE DE SONDAGENS SPT-T EM SOLOS RESIDUAIS DE BASALTO NA CIDADE DE IJUÍ-RS
Trabalho de conclusão de curso de Engenharia Civil apresentado na Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Civil.
Orientador: Prof. Me. Carlos Alberto Simões Pires Wayhs
Ijuí 2016
CARLA PATRICIA SCHULTZ COPPETI
ANÁLISE DE SONDAGENS SPT-T EM SOLOS RESIDUAIS DE
BASALTO NA CIDADE DE IJUÍ-RS
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO CIVIL e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.
Ijuí, 19 de julho de 2016
Prof. Mestre Carlos Alberto Simões Pires Wayhs Mestre pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Orientador
Prof. Mestre Lia Geovana Sala Mestre em Arquitetura (UFSC) Coordenadora do Curso de Engenharia Civil/UNIJUÍ
BANCA EXAMINADORA
Prof. José Antônio S. Echeverria Mestre em Engenharia Civil (UFRGS)
Ao meu marido, Jarbas e aos meus filhos Vinícius, Eduardo e Amanda. Com amor e carinho, por tudo.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente este Trabalho de Conclusão de Curso só foi possível porque tive o apoio de várias pessoas e da Universidade que merecem aqui serem lembradas.
À minha FAMÍLIA, pela compreensão dos momentos que não pude estar presente. Ao meu AMOR Jarbas, pela paciência durante esses anos do curso de engenharia, pelo carinho, pelos conselhos e acima de tudo pelo companheirismo.
Ao meu MESTRE E ORIENTADOR Prof. Carlos Wayhs, que desde o início norteou, indicou este caminho, aconselhou, para que o trabalho de conclusão de curso pudesse ser uma extensão do trabalho que exerço, sendo um aprendizado e melhoria para crescimento de minha empresa.
Aos meus PROFESSORES de curso Engenharia Civil, que compartilharam conhecimentos, saberes e experiências da profissão futura.
À empresa MINERAG que viabilizou os estudos nos locais das sondagens, cedendo equipamentos, material necessário e disponibilizando funcionários. Pelos dados fornecidos e explanações sobre as freqüentes dúvidas. Pela colaboração na obtenção de resultados e por exporem as suas experiências e concepções sobre o tema.
A todos os COLEGAS do curso, em especial aos que colaboraram na pesquisa, principalmente ao Grupo de Fundações, a Luciana, Gabriel, Gabriel Leal e Felipe Kirschner. No laboratório de solos o apoio de Marcos, Lucas e Luis Donatto. Sem todos vocês , nada disso seria possível. Vocês foram essenciais ao meu trabalho, agradeço de coração.
E finalmente, AGRADEÇO A DEUS, pela fé e força para enfrentar todos os desafios durante estes sete últimos anos, que alteraram tanto a minha vida. Agradeço por todas as batalhas vencidas até aqui, pelas vitórias e pelas pessoas que tive o prazer de conhecer na Engenharia da vida. Gratidão por tudo.
Mantenha
Mantenha seus pensamentos positivos, porque seus pensamentos tornam-se suas palavras. Mantenha suas palavras positivas, porque suas palavras tornam-se suas atitudes. Mantenha suas atitudes positivas, porque suas atitudes tornam-se seus hábitos. Mantenha seus hábitos positivos, porque seus hábitos tornam-se seus valores. Mantenha seus valores positivos, porque seus valores tornam-se tornam-seu destino.
RESUMO
COPPETI, C.P.S. Análise de sondagens SPT-T em solos residuais de basalto na cidade de
Ijuí-RS. 2016. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Civil, Universidade
Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2016.
As empresas de engenharia utilizam os resultados do ensaio do SPT para dimensionamento de fundações, sendo de essencial importância aperfeiçoar os métodos de investigação e elaboração de projetos nesta área. Para tal, a inserção da ferramenta de torque ao SPT, ou seja, o SPT-T (Standard Penetration Test witch Torque Measurement) poderá melhorar os cálculos e interpretações de projetos. Este trabalho de conclusão de curso objetiva estudar o método de sondagem SPT-T (ensaio de penetração padrão e de torção) em solos residuais de basalto da cidade de Ijuí, localizada no noroeste do RS, e sua importância para obtenção do Nspt para cálculo de fundações. Através das sondagens em três locais na cidade de Ijui, obtiveram-se valores de campo de Nspt, de Tmax, e de Tres. Complementarmente, realizaram-se ensaios de caracterização geotécnica das amostras coletadas dos três locais, tendo em vista caracterizar o tipo de solo encontrado, bem como agregar conhecimento mais amplo e aperfeiçoado dos solos estudados. Os dados obtidos nas sondagens foram utilizados comparativamente em métodos semi-empíricos para dimensionamento da capacidade de carga de estacas escavadas, utilizando Nspt e T. A partir disso, concluiu-se que utilizando o T das sondagens SPT-T superdimensiona a carga das estacas. A relação T/Nspt necessita de maior número de banco dados regionais para ser utilizada em dimensionamento de fundações. O SPT-T necessita de normatização.
RS.2016. Final Paper. Civil Engineering Course, Universidade Regional do Noroeste do
Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2016.
Engineering companies use the SPT results for foundations calculation, so, it is of essential importance improve the investigations methods and projects development in this area. To this end, the insertion of SPT torque tool, that is, the SPT-T (Standard Penetration Test with Torque Measurement) may improve the calculations and project analysis. This thesis aims to study the SPT-T survey method (standard penetration test and torsional) in residual soils of basalt city of Ijuí, located in the northwest of the RS, and its importance for
obtaining Nspt for calculation foundations. Through probe assays at three local in the city of
Ijui, were obtained Nspt field values, Tmax, and Tres. In addition, there were geotechnical characterization of the samples collected from three locations, in order to characterize the type
of soil found, and add more extensive knowledge and optimized from soils. The data obtained
from probe assays was used comparatively in semi-empirical methods for the load capacity design of bored piles using Nspt and T. From this, it was concluded that the SPT-T probe assay overdo the load for the piles. The T/Nspt relation requires more regional data to be used in foundation design. The SPT-T requires standardization.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Escalas granulométricas ... 23
Figura 2 – Fundação superficial ... 27
Figura 3 – Fundação profunda ... 28
Figura 4: Equipamento de sondagem SPT ... 30
Figura 5: Ilustração de um amostrador padrão ―Raymond‖, NBR 6484 (ABNT, 2001) ... 31
Figura 6: Estados de compacidade e consistência do solo ... 33
Figura 7: Instalação do torquímetro ... 39
Figura 8: Fundação profunda conforme NBR 6122/2010 ... 40
Figura 9 – Delineamento da Pesquisa ... 46
Figura 10 – Equipamentos de sondagem utilizados no ensaio ... 47
Figura 11 - Torquímetros utilizados nos ensaios de SPT-T ... 48
Figura 12 – Colaborador realizando o teste do SPT-T ... 49
Figura 13 - Ensaio de granulometria por sedimentação ... 50
Figura 20 – Ensaio do limite de liquidez e plasticidade ... 51
Figura 15 - Ensaio de compactação ... 51
Figura 22 – Corpos de prova imersos na água... 52
Figura 17 – Localização do município de Ijuí (RS) ... 53
Figura 18 – Local da sondagem SPT-T: Costa do Sol ... 53
Figura 19 –Localização da sondagem SPT-T: Amorim ... 54
Figura 20 – Localização sondagem SPT-T : Campus Ijuí ... 55
Figura 21 – Curva granulométrica por sedimentação e peneiramento do solo Costa do Sol ... 55
Figura 22 – Curva de Compactação Solo Costa do Sol - Energia normal ... 56
Figura 23 - Curva granulométrica por sedimentação e peneiramento do solo Amorim ... 57
Figura 24 – Curva de Compactação Solo Amorim- Energia normal ... 57
Figura 29 – Variação do Nspt dos solos residuais de basalto ... 63 Figura 30 – Nspt médio, mínimo e máximo dos solos residuais de basalto estudados ... 63 Figura 31 - Correlação entre o torque e o Índice de resistência a penetração (Nspt) ... 68 Figura 32 – Variação do Índice de Torque (TR) nas diferentes camadas de solo residual de basalto ... 69
LISTA DE TABELAS
Tabela 1– Controle da capacidade de carga dos torquímetros ... 39
Tabela 2 – Valores de K e α ... 42
Tabela 3 – Valores de F1 e F2 ... 42
Tabela 4 - Valores do coeficiente α em função do tipo de solo e estaca ... 43
Tabela 5 - Valores do coeficiente β em função do tipo de solo e estaca ... 44
Tabela 6 - Fator característico do solo :K... 44
Tabela 7 – Resultados do SPT e SPT-T Loteamento Costa do Sol ... 61
Tabela 8 – Valores das Sondagens SPT e SPT-T do Loteamento Amorim ... 61
Tabela 9 – Valores das Sondagens SPT e SPT-T do Campus Ijui ... 62
Tabela 10 – Capacidade de carga Estaca Loteamento Costa do Sol pelo SPT ... 64
Tabela 11 - Capacidade de carga Estaca Loteamento Amorim pelo SPT ... 65
Tabela 12 - Capacidade de carga Estaca Loteamento Campus pelo SPT ... 65
Tabela 13 – Capacidade de carga pelo método Aoki -Velloso ... 66
Tabela 14 - Capacidade de carga Estaca Loteamento Costa do Sol pelo SPT –T ... 66
Tabela 15 - Capacidade de carga Estaca Loteamento Amorim pelo SPT-T ... 66
Tabela 16 - Capacidade de carga Estaca Loteamento Campus pelo SPT-T ... 67
AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ASTM American Society for Testing and Materials CBR Índice Califórnia
CPRM Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais CPUT Cone Penetration Testing
DMT Dilatômetro de Marchetti
GEDORE Ferramentas Gedore do Brasil SA ISC Índice Suporte Califórnia
ISSMFE International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering LEC Laboratório de Engenharia Civil – Unijuí
MINERAG Comércio de Produtos de Mineração e Tratamento de Água Ltda MIT Instituto de Tecnologia de Massachusetts
MPM Pressiômetro de Menard SPT Standart Penetration Test
SPT-T Standart Penetration Test witch Torsion
UNIJUÍ Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul USBS United States Bureau of Standards
LISTA DE SIMBOLOS
T: valor de torção no ensaio SPT-T
Nspt: valor normatizado do ensaio SPT pela norma NBR 6484/2001
,60: valor do ensaio SPT, considerando a transmissão de 60% da energia de cravação (número de golpes)
TR: Índice do torque
,72: valor do ensaio SPT, considerando a transmissão de 72% da energia de cravação (número de golpes)
Tmáx: torque máximo
Tres: torque residual ou de ponta PR: capacidade de carga
PL: resistência lateral PP: resistência de ponta fs: tensão atrito lateral
qp: resistência unitária de ponta qL : resistência unitária lateral
qc: capacidade de carga da ponta da estaca F1 e F2: coeficiente de acordo com tipo de estaca K e α: fator característico do solo
Ap : área da ponta da estaca
U=Per: Perímetro do Fuste da estaca ΔL: Profundidade de cada camada do SPT Qu: carga de ruptura das estacas
α : coeficiente que depende do tipo de estaca e do tipo de solo β : coeficiente que depende do tipo de estaca e do tipo de solo As: área lateral da estaca
Np :valor médio dos índices de resistência à penetração, medidos na ponta da estaca e imediatamente acima e abaixo dela
qs : atrito lateral
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 18 1.1 Contexto ... 18 1.2 Problema ... 19 1.2.1 Questões de Pesquisa ... 19 1.2.2 Objetivos de Pesquisa ... 20 1.3.3 Delimitação ... 20 2 REVISÃO DA LITERATURA ... 22
2.1. Classificação geológica e geotécnica do solo ... 22
2.2 Fundações ... 25
2.2.1 Fundação Superficial ... 26
2.2.2 Fundação Profunda ... 27
2.3 Investigação geotécnica ... 28
2.3.1 Ensaios de Campo ... 29
2.3.1.1 Standard Penetration Test (SPT) ... 29
2.3.1.1.1 Equipamentos Utilizados ... 30
2.3.1.1.2. Execução da Sondagem SPT ... 32
2.3.1.1.3 Ensaio de Lavagem por Tempo ... 33
2.3.1.1.4 Fatores que Influenciam no SPT ... 34
2.3.1.1.5 Conceito de Energia no SPT ... 35
2.3.1.1.6 Correção Nspt do SPT ... 36
2.3.1.2 Standard Penetration Test witch Torsion (SPT-T) ... 36
2.4 Capacidade de Carga de Estacas Através de Métodos Semi-Empíricos ... 39
2.4.1 Metodologias de Cálculos usando ensaios SPT e SPT-T ... 40
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 46 3.1 Estratégia de Pesquisa ... 46 3.2 Delineamento ... 46 3.3 Ensaios SPT E SPT-T ... 46 3.3.1 Equipamentos Necessários ... 47 3.3.2 Execução ensaios SPT e SPT-T... 48 3.4 Ensaios Laboratoriais ... 49
3.4.3 Consistência do solo – Limites de Atterberg ... 50
3.4.4 Compactação do solo ... 50
3.4.5 Índice de Suporte Califórnia (ISC) ... 52
4 RESULTADOS ... 52
4.1 Localização dos Solos ... 52
4.1.1 Solo do Loteamento Residencial Costa do Sol ... 53
4.1.2 Solo do Loteamento Residencial Amorim ... 54
4.1.3 Solo do Campus Ijuí da UNIJUÍ ... 54
4.2 Caracterização Geotécnica dos Solos ... 55
4.2.1 Solo Costa do Sol ... 55
4.2.2 Solo Amorim ... 56
4.2.3 Solo Campus Ijuí ... 58
4.3 Sondagens SPT e SPT-T ... 60
4.3.1 Solo Costa do Sol ... 60
4.3.2 Solo Amorim ... 61
5 CAPACIDADE DE CARGAS DE ESTACAS ESCAVADAS ... 64
5.1 Método Aoki-Velloso (1975) utilizando o ensaio SPT ... 64
5.2 Décourt e Quaresma (1996) utilizando o ensaio SPT-T ... 66
6 CORRELAÇÃO T/ NSPT PARA SOLOS RESIDUAIS ... 68
7 CONCLUSÕES E SUGESTOES ... 71
7.1 Conclusões ... 71
7.1.1 Quanto aos ensaios de caracterização geotécnica ... 71
7.1.2 Quanto aos ensaios de sondagem SPT e SPT-T ... 71
7.1.3 Quanto às capacidades de cargas utilizando os métodos semi-empíricos (SPT e SPT-T) ... 72
7.2 Sugestões para Trabalhos Futuros ... 72
8 REFERÊNCIAS ... 74
ANEXO A – SONDAGEM SPT-T LOTEAMENTO COSTA DO SOL ... 79
ANEXO B- SONDAGEM SPT-T LOTEAMENTO AMORIM ... 80
1 INTRODUÇÃO
Esta pesquisa fundamenta-se na área de engenharia de fundações, mais especificamente, visa estudar o método de sondagem SPT-T (ensaio de penetração padrão com torção) em solos residuais de basalto da cidade de Ijuí, localizada no noroeste do Rio Grande do Sul e sua importância para obtenção do Nspt para cálculo de fundações.
Nesta pesquisa busca-se numericamente e experimentalmente através de ensaios de campo, comparar as semelhanças e diferenças envolvidas nos resultados dos ensaios de SPT (ensaio de penetração padrão) e STP-T em solos residuais de basalto e, com a introdução deste ferramental (torque) aperfeiçoar as interpretações dos cálculos de fundações, melhorando a qualidade dos projetos nesta área da engenharia civil.
1.1 Contexto
―O ambiente físico, descrito, a partir das condições do subsolo, constitui-se em pré-requisito para projetos geotécnicos seguros e econômicos‖. (SCHNAID; ODEBRECHT, 2012, p.13).
Os projetos geotécnicos e de fundação necessitam então, do reconhecimento do solo para a determinação da metodologia de cálculo a ser utilizada, dos coeficientes de segurança e da tensão admissível. (CAPUTO,1977)
O reconhecimento do solo pode ser realizado por ensaios de laboratório através das normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) - NBR 6502-1995, NBR 7180/2016, NBR 6459/2016, (granulometria, plasticidade, compacidade areia, consistência -finos, cor, origem) e in situ, ensaios de sondagens, de acordo com a norma NBR 6484-2001 (Sondagem de Simples Reconhecimento com SPT- Método de Ensaio e SPT-T). (ABNT,2001)
A sondagem SPT é a ferramenta mais utilizada no mundo e também no Brasil, por ser a mais rápida e econômica, para investigação da resistência a penetração dos solos (Nspt), aplicado também na identificação da consistência de solos coesivos, e mesmo de rochas brandas, importante para cálculo em fundações (SCHNAID; ODEBRECHT, 2012).
Já através de ensaios de investigação, no caso as sondagens SPT-T que consiste em um dispositivo adicional ao método SPT, que possui vantagem de, com baixo custo
operacional, proporcionar alternativa para refinamento e aprimoramento dos dados adicionais obtidos do SPT como: atrito lateral e atrito residual.(PEIXOTO, 2001)
Há uma necessidade de se aperfeiçoar os métodos semi-empíricos de estudos investigativos de fundação e é unânime corroborar os estudos e debates na normatização da SPT-T a partir da NBR 6484/2001 do SPT.(PEIXOTO, 2001) Erros operacionais e inadequação de ferramentas estão entre as causas da obtenção de resultados desvirtuados e inconfiáveis. Com isso justifica-se através do reconhecimento e domínio desta ferramenta, proporcionar e popularizar a adoção da técnica nas empresas e projetistas de fundações.(GUIMARÃES, 2002)
As empresas de engenharia valem-se dos resultados do ensaio do SPT para cálculo de fundações, sendo de essencial importância aperfeiçoar os métodos de investigação e elaboração de projetos nesta área. Para tal, a inserção da ferramenta de torque ao SPT, ou seja, o SPT-T, poderá resultar em melhoria na qualidade dos ensaios e dos projetos.
1.2 Problema
O SPT é, reconhecidamente, a mais popular, rotineira e econômica ferramenta de investigação geotécnica em praticamente todo o mundo. (SCHNAID;ODEBRECHT, 2012)
Segundo Alonso (apud MASCARENHA, 2003, p.11) ―o ensaio SPT-T não está sujeito as falhas cometidos no ensaio SPT, tais como: peso e rigidez das hastes, atritos múltiplos, massa cadente, altura de queda, entre outros.‖
Contudo estudos e dados de ensaios e das relações T/Nspt em solos residuais de basalto do noroeste do Rio Grande do Sul, são insuficientes. As correlações existentes atualmente, de SPT-T são de solos da Bacia Sedimentar Terciária de São Paulo (HACHIC et.al., 1998). Solos residuais de basalto apresentam características distintas dos solos residuais sedimentares e mesmo dos solos sedimentares transportados.
1.2.1 Questões de Pesquisa
A partir do problema apresentado foi formulada a questão principal da pesquisa: A introdução dos dados de torque nas sondagens SPT, realizadas nos solos
em comparação a simples sondagem SPT, com resultados adicionais de atrito lateral e residual, trará benefícios para o dimensionamento da capacidade de carga em projetos de fundação?
Questões secundárias:
Quais os modelos de cálculos apropriados para utilização do T, em relação ao Nspt para solos residuais de basalto?
Para cálculo de estacas o Torque máximo e Torque residual poderão ser utilizados, em relação aos cálculos utilizando o Nspt, com resultados confiáveis?
1.2.2 Objetivos de Pesquisa Objetivo Geral
Analisar comparativamente resultados das sondagens SPT e SPT-T realizadas em três pontos distintos na cidade de Ijuí, com solos residuais de basalto.
Objetivos específicos
Estudar a relação T/Nspt para obtenção da correlação e faixa do Índice do Torque para solos residuais de basalto;
Obter valores do atrito lateral através do SPT-T em solos residuais para utilização em estacas;
Avaliar as vantagens e desvantagens dos métodos, eficácia e aplicabilidade em solos residuais de basalto
1.3.3 Delimitação
Este trabalho de conclusão de curso está estruturado em cinco capítulos: Introdução, Revisão Bibliográfica, Metodologia da Pesquisa, Apresentação e Análise dos Resultados e Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros.
Na Introdução foram abordados os aspectos básicos referentes ao tema abordado, bem como sua importância e justificativa para o desenvolvimento da pesquisa.
O capítulo 2, Revisão Bibliográfica, aborda os diversos assuntos envolvidos nas sondagens SPT e SPT-T. Os assuntos revisados são: classificação geológica e geotécnica do solo, tipos de fundações, investigação geotécnica, ensaios de campo resistência lateral e resistência residual, análises gerais da relação T/Nspt, utilização do SPT e SPT-T para engenharia de fundações.
O terceiro capítulo Materiais e Métodos, são descritos a estratégia e delineamento de pesquisa, os ensaios de campo e laboratoriais, sua maneira de execução e as normas que regem os mesmos.
O quarto capitulo, contêm a localização das áreas ensaiadas, a caracterização geotécnica dos solos e análise e apresentação de resultados dos ensaios SPT e SPT-T.
No quinto, capacidade de carga, apresentam-se os métodos de estimativa de capacidade de carga de estacas escavadas.
Finalmente o sexto, Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros, onde se apresentam as conclusões obtidas pelo desenvolvimento deste trabalho e deixam-se algumas sugestões para a continuação deste estudo.
2 REVISÃO DA LITERATURA
Neste capitulo, aborda-se a conceituação de assuntos importantes para o desenvolvimento do estudo das sondagens SPT e SPT-T e sua relação com projeto de fundações.
Os tópicos abordados serão: classificação geológica e geotécnica do solo; fundações; investigação geotécnica; ensaios de campo focando especificamente SPT-T; capacidade de carga de estacas escavadas; análises gerais da relação T/Nspt a partir da utilização do SPT e SPT-T para engenharia de fundações.
2.1 Classificação geológica e geotécnica do solo
Segundo Pastore e Fontes (1998), o procedimento de classificação, ou seja, a determinação da categoria de comportamento a qual o solo pertence para fins de engenharia, é precedida pela caracterização.
A seqüência lógica do procedimento seria: descrição-caracterização e classificação. A descrição do solo é realizada pela textura, cor, plasticidade conhecida, como análise tátil-visual. (PASTORE; FONTES, 1998)
A distribuição granulométrica do solo (variação do tamanho dos seus grãos) influi no seu comportamento mecânico e é uma informação importante na sua descrição. Na textura os solos são classificados conforme sua granulometria e são várias as escalas granulométricas utilizadas (Figura 1) para classificação textural (Pastore e Fontes, 1998) como: MIT, USBS e ABNT NBR 6502, também a ASTM e AASHTO.
Figura 1 – Escalas granulométricas
Fonte: UNISINOS (2013)
Adotaremos para este trabalho e ensaios a escala da Associação Brasileira de Normas e Técnicas (ABNT), para fins de engenharia geotécnica de fundações e obras de terra a NBR 6502/1995 que padronizou a escala a granulométrica, conforme destacado na Figura nº 1.
As classificações genéticas são as mais utilizadas em Geologia de Engenharia, principalmente a geológica e a pedológica. Segundo Pastore e Fontes (1998) a classificação geológica corresponde à gênese do solo, com base na análise tátil-visual e das relações estratigráficas. O processo geológico formador do solo, de acordo com os mesmos autores consiste basicamente por desagregação e decomposição in situ da rocha subjacente, dando origem aos solos denominados residuais e se houver erosão, transporte, e deposição dos materiais existente na superfície, formam-se então os chamados solos transportados.
Segundo a norma NBR 6502/1995, ―solos residuais são solos formados in situ pela decomposição da rocha matriz, quando sujeita à ação de intemperismos físicos ou químicos. Pode ocorrer em vários estágios de evolução‖ (ABNT,1955, p.17). Este trabalho foi desenvolvido somente em solos residuais originados da decomposição de basaltos.
Conforme Caputo (1977) solos residuais possuem características macroestruturais que resguardam as condições originais da fábrica da rocha matriz ainda preservada. Observa-se
uma gradual transição do solo até a rocha e um conseqüente crescimento da resistência com a profundidade. Ainda o mesmo autor comenta, que os perfis geotécnicos destes solos apresentam-se de forma simples e regular, com transições subparalelas ou condicionadas pelo grau de deformação e alteração do substrato rochoso.
Os solos do município de Ijuí são homogêneos, podendo ser residuais ou transportados, sendo os transportados em menor proporção conformando colúvios em meia encostas inferiores ou aluviões nas margens dos rios e ainda interdigitados no contato em base de colinas dissecadas por arroios e rios sempre em cotas inferiores.(DIEMER et al. apud LISTO, 2015)
Como predominam amplamente os solos residuais os trabalhos de sondagens foram realizados sobre estes. São solos resultantes da decomposição de substrato rochoso vulcânico oriundo de uma grande manifestação magmática pertencente à Formação Serra Geral com idade entre 133 Ma (RENNE et al., 1992 apud REIS et al, 2014) que ocupa o centro sul do Brasil e se estende além das fronteiras nacionais nos territórios do Paraguai, Argentina e Uruguai. Os espessos derrames da Formação Serra Geral estão divididos em duas grandes seqüências: básica e ácida. A Região Noroeste do Estado pertence à Seqüência Básica que é a mais pungente e compreende derrames de basaltos, andesitos, basaltos com vidro vulcânico, diques e soleiras intrusivas de diabásios, arenitos intertrapeados, brechas vulcânicas e vulcano-sedimentares sempre gerados a partir de um magma de filiação toleítica do manto superior.(REIS et al., 2014)
Os variados estudos e prospecções realizadas na cidade de Ijuí atestam para o predomínio da litologia dos basaltos que são rochas básicas de cor cinza predominante, textura amigdalóide ou afíricas e ainda faneríticas finas com mineralogia a base de plagioclásios e piroxênios com ilmenita ou magnetita como acessório em reduzida matriz vítrea. Resulta do intemperismo do basalto camadas normalmente espessas de solos avermelhados a roxos, férteis com elevado teor de bases permutáveis principalmente cálcio e magnésio (SCHWABE, 1987).
Os perfis dos solos de Ijuí são pedologicamente classificados como latossolos e a espessura do solo residual normalmente apresenta correlação com a condição topográfica e níveis de dissecação, sendo mais adelgaçado em regiões mais declivosas e próximo às drenagens dissecadoras. Ao contrário os platôs e as zonas mais elevadas e planas possuem
solos mais maturados e espessos predominando nestes as frações finas argilosas e siltosas. (EMBRAPA, 1999)
Os solos residuais de Ijuí apresentam caracteristicamente uma variação vertical estratigráfica normalmente granodecrescente ascendente com a base ―grossa‖ em contato com a rocha basáltica denominada de Horizonte C formada por neossolos litólicos ou saprolítos com fragmentos de rocha intemperizada, pedregulhos e predomínio da matriz arenosa ocorrendo eventualmente silte. O horizonte intermediário, denominado de B apresenta em geral cor marrom à avermelhada com predomínio da fração argilosa e maior plasticidade. O horizonte A denominado de antrópico apresenta em geral coloração mais escura e o predomínio de frações finas argilosas e siltosas estando normalmente compactado devido às atividades antrópicas de superfície nele desenvolvidas.(EMBRAPA, 1999)
2.2 Fundações
Segundo Caputo (1977) chama-se fundação a parte de uma estrutura que transmite ao terreno subjacente à carga da obra. A fundação é, portanto, o elemento de ligação entre o terreno-estrutura.
Velloso e Lopes (2011) citam os elementos necessários para o desenvolvimento de um projeto de fundação:
Topografia da área:
- dados sobre taludes e encostas no terreno (ou que possam atingir o terreno); - levantamento topográfico (planialtimétrico);
- dados sobre erosões (ou evoluções preocupantes na geomorfologia).
Dados sobre construções vizinhas:
- número de pavimentos, carga média por pavimento; - existência do subsolo;
- tipo de estrutura e fundações; - desempenho das fundações;
– possíveis conseqüências de escavações e vibrações provocadas pela nova obra.
- investigação do subsolo (às vezes em duas etapas: preliminar e complementar);
- outros dados geológicos e geotécnicos (mapas, fotos aéreas e levantamentos aerofotogramétricos, artigos sobre experiências anteriores na área, publicações da CPRM, etc.).
Dados da estrutura a construir: - tipo e uso que terá a nova obra;
- sistema estrutural (hiperestaticidade, flexibilidade, etc.); - sistema construtivo (convencional ou pré-moldado); - cargas (ações nas fundações).
Baseado em Schnaid e Odebrecht (2012, p.17), a análise dos resultados com vistas a um projeto geotécnico pode ser realizada por duas abordagens:
a) Método direto: de natureza empírica ou semi-empírica; é estatístico, e as medidas dos ensaios estão correlacionadas diretamente ao desempenho de obras geotécnicas. O SPT constitui-se no mais conhecido exemplo brasileiro.
b) Método indireto: os resultados dos ensaios são aplicados à previsão de propriedades constitutivas de solos, possibilitando a adoção de conceitos e formulações clássicas de Mecânica dos Solos como abordagem de projeto.
As fundações podem ser superficiais (―diretas ou rasas‖) ou profundas. A distinção entre esses dois grupos é feita segundo Velloso e Lopes (2011) pelo critério arbitrário de que fundação profunda é aquela cujo mecanismo de ruptura de base não surja na superfície do terreno.
2.2.1 Fundação Superficial
Baseado na Norma NBR 6122/2010, ―as fundações superficiais são elementos estruturais de fundação em que a carga é transmitida ao terreno pelas tensões distribuídas sob a base da mesma, e a profundidade de assentamento em relação ao terreno adjacente à esta é inferior a duas vezes a menor dimensão da fundação‖. (ABNT, 2010, p.2)
Figura 2 – Fundação superficial
Fonte: Velloso e Lopes (2004)
As fundações superficiais podem ser divididas em: sapatas, blocos, radiers, sapatas associadas e sapatas corrida.
A NBR 6122/2010, esclarece:
―Sapata é o elemento estrutural de fundação superficial, de concreto armado, dimensionado de modo que as tensões de tração nele resultantes sejam resistidas pelo emprego da armadura especialmente disposta para este fim‖.. (ABNT, 2010, p.2)
―Bloco é o elemento estrutural de fundação superficial do concreto, dimensionado de modo que as tensões de tração nele resultantes sejam resistidas pelo concreto, sem necessidade de armadura‖. (ABNT, 2010, p.2)
―Radier é o elemento estrutural de fundação superficial que abrange parte ou todos os pilares de uma estrutura, distribuindo os carregamentos‖. (ABNT, 2010, p.2 ―Sapata comum a vários pilares, cujos centros, em planta, não estejam situados em um mesmo alinhamento‖. (ABNT, 2010, p.2)
‗Sapata corrida como a sapata sujeita à ação de uma carga distribuída linearmente‖. (ABNT, 2010, p.2)
2.2.2 Fundação Profunda
De acordo com a NBR 6122 (2010 p.2) fundação profunda é o elemento de fundação que transmite ao terreno pela sua base (resistência de ponta) ou por sua superfície lateral (resistência do fuste) ou por uma combinação das duas, devendo sua ponta ou base estar assente ou em profundidade superior ao dobro de sua menor dimensão em planta, e no mínimo 3,0m. Incluem –se neste tipo de fundação as estacas e os tubulões. (ABNT, 2010)
Figura 3 – Fundação profunda
Fonte: Velloso e Lopes (2004)
Segundo a mesma norma NBR 6122/2010:
Estaca: elemento de fundação profunda executado inteiramente por equipamentos ou ferramentas, sem que, em qualquer fase de sua execução, haja, descida de pessoas. Os materiais empregados podem ser: madeira, aço, concreto pré-moldado ou pela a combinação dos anteriores.(ABNT, 2010, p.2)
Tubulão: elemento de fundação profunda, escavado no terreno em que, pelo menos na sua etapa final, há descida de pessoas, necessário a execução do alargamento de base ou pelo menos a limpeza do fundo da escavação, uma vez que neste tipo de fundação as cargas são transmitidas preponderantemente pela ponta.(ABNT, 2010, p.2)
2.3 Investigação geotécnica
A NBR 6122/2010 cita que para qualquer edificação deverá ser feita uma campanha de investigação geotécnica preliminar, constituída no mínimo por sondagens a percussão (com SPT), visando à determinação estratigráfica e classificação dos solos, a posição do nível d‘água e a medida do índice de resistência à penetração Nspt, de acordo com NBR 6484/2001. (ABNT, 2010)
A NBR 6122/2010 menciona que os projetos e execuções de fundações em solos, rochas ou misturas de ambos, devem ser precedidos de investigação geotécnica que compreendem ensaios de campo e ensaios de laboratório.
2.3.1 Ensaios de Campo
2.3.1.1 Standard Penetration Test (SPT)
No Brasil, o ensaio SPT é regido pela Norma NBR 6484/2001. Segundo Lobo (2005) em 1988 foi publicado o Procedimento Internacional de referência para o SPT (IRTP - International Reference Test Precedure), elaborado pela ISSMFE (International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering), estabelecendo recomendações a serem tomadas em normas e códigos nacionais para padronização dos procedimentos e equipamentos, permitindo à normatização de resultados entre diferentes países.
De acordo com a norma NBR 8036/1983, o número de sondagens de um terreno, deve ser:
As sondagens devem ser, no mínimo, de uma para cada 200m² de área da projeção em planta do edifício, até 1200m². Entre 1200m² e 2400m² deve-se fazer uma sondagem para cada 400m² que excederem de 1200m². Acima de 2400m² o número de sondagens deve ser fixado de acordo com o plano particular da construção. Em quaisquer circunstâncias o número mínimo de sondagens deve ser:
a) Dois para área da projeção em planta do edifício até 200m²;
b) Três para área entre 200m² e 400m².(ABNT, 1983, p.1)
O SPT é reconhecidamente, a mais popular, rotineira e econômica ferramenta de investigação geotécnica em pratica no mundo. Serve como indicativo de solos granulares, na consistência de solos coesivos e mesmo de rochas brandas (SCHNAID; ODEBRECHT, 2012). Ainda segundo o mesmo autor, o ensaio SPT constitui-se em uma medida de resistência dinâmica conjugada a uma sondagem de simples reconhecimento.
A perfuração é realizada por tradagem e circulação de água (trépano de lavagem com ferramenta de escavação). Amostras representativas do solo são obtidas a cada metro de profundidade, por meio de amostrador-padrão, de diâmetro externo de 50mm. (SCHNAID; ODEBRECH, 2012). Segundo o mesmo autor o procedimento de ensaio consiste na cravação
do amostrador no fundo de uma escavação (revestida ou não) usando um peso de 65 kg, caindo de uma altura de 75cm (Figura 4). O valor NSPT é o número de golpes necessário para fazer o amostrador penetrar 30cm após uma cravação inicial de 15cm.
Figura 4: Equipamento de sondagem SPT
Fonte: Schnaid e Odebrech (2012).
2.3.1.1.1 Equipamentos Utilizados
Conforme a NBR 6484/2001 para realização das sondagens SPT compõe a aparelhagem-padrão os seguintes equipamentos: torre com roldana, tubos de revestimento, composição de perfuração ou cravação, trado-concha ou cavadeira, trado helicoidal, trépano de lavagem, amostrador-padrão, cabeça de bater, martelo padronizado para a cravação do amostrador, baldinho para esgotar o furo, medidor de nível-d‘água, metro de balcão, recipientes para amostras, bomba d‘água centrífuga motorizada, caixa d‘água ou tambor com divisória interna para decantação e ferramentas gerais necessárias à operação da aparelhagem. (ABNT, 2001)
Os principais equipamentos utilizados em qualquer das situações serão descritos a seguir:
a) Amostrador: Segundo NBR 6484/2001 é utilizado na execução da sondagem e possui partes distintas: cabeça, corpo e sapata (Figura 5). A cabeça do amostrador possui uma válvula de esfera e um orifício de drenagem que permite a saída da água dentro das hastes e a retenção de solo dentro do amostrador. O corpo do amostrador é formado por um tubo bipartido que permite a inspeção tátil e visual das amostras, que deve ser periodicamente inspecionado e substituído se houver desgaste ou empenamento. A amostra de solo deve ser coletada e acondicionada para ser enviada ao laboratório para classificação de granulometria, cor, presença de matéria orgânica e origem. (SCHNAID; ODEBRECH, 2012, p.23).
Figura 5: Ilustração de um amostrador padrão ―Raymond‖, NBR 6484 (ABNT, 2001)
Fonte: Schnaid e Odebrecht (2012).
b) Hastes: as hastes são tubos mecânicos providos de roscas nas extremidades, permitindo a ligação entre elas, por meio de conexões (luvas ou nipes). De acordo com a NBR 6484/2001 as hastes devem possuir 3,23Kg/m. As hastes devem ser lineares e, ao apresentar desgastes nas roscas ou empenamento, ser substituídas (SCHNAID; ODEBRECH, 2012, p.24).
c) Martelo: segundo a NBR 6484/2001, o martelo para cravação dos tubos de revestimento e da composição das hastes com amostrador, deve ser uma massa de ferro de forma prismática ou cilíndrica, tendo encaixado na parte inferior, um coxim, perfazendo um total de 65kg. O martelo pode ser maciço ou vazado (Figura 4) (ABNT, 2001, p.3). Existem atualmente para controle de queda do martelo, sistemas manuais, mecânicos e automáticos de gatilho, sendo que os automáticos possuem maior controle e repetição do procedimento.
d) Cabeça de bater: é um elemento cilíndrico de aço maciço, que tem por finalidade transferir a energia do golpe do martelo para a haste. A norma NBR 6484/2001 cita
que a ―cabeça de bater, deve ser constituída por tarugo de aço de (83 ± 5) mm de diâmetro, (90 ± 5) mm de altura e massa nominal entre 3,5 kg e 4,5 kg.‖(ABNT, 2001, p.2)
O avanço no sistema de perfuração, ou seja, nas camadas de solo é realizado com trado helicoidal, que pode ser manual ou mecanizado. Utiliza-se também o trépano de lavagem, alimentado por bomba d‘água centrífuga motorizada quando se estiver trabalhando em zona saturada ou ainda quando no limite do avanço pelo método do trado helicoidal. 2.3.1.1.2. Execução da Sondagem SPT
De acordo com Conciani et al.(2013), a sondagem deverá ser iniciada em uma área livre de obstáculos, com a abertura de um sulco ao seu redor para desviar a água de enxurradas. O mesmo autor salienta que junto à sondagem deve-se cravar um piquete com a identificação da desta, que servirá também como referência de profundidade.
A sondagem se inicia com a utilização do trado concha até a profundidade de 1m e continua a cada metro até atingir o nível freático utilizando o trado helicoidal, exceto se encontrar material impenetrável. No caso de ser atingido o lençol freático, o quando o avanço do trado for inferior a 5cm, conforme a NBR 6484/2001 que preconiza a operação contínua de perfuração, poderá ser realizado pelo método de percussão com circulação água (método de lavagem), com colocação de revestimento.(ABNT, 2001)
Colocado barrilete no fundo, deve ser assinalados com giz, na porção da haste, que permanecer para fora do revestimento, três trechos de 15cm cada um, referidos ao ponto fixo do terreno (cota 0). Inicia-se a cravação do barrilete da queda do martelo, sendo que a cada queda corresponde a um golpe, sendo que serão feitos tantos golpes até a cravação dos 45cm, atendendo a limitação do número de golpes, conforme a norma NBR 6484/2001 estabelece, onde então são anotados os números de golpes a penetração (cm) para cravação do primeiro, segundo e terceiro terço, sendo o valor do N o nº de golpes dos 30cm finais do barrilete. (ABNT, 2001). Os atuais relatórios de sondagem inserem a soma do 1º com 2º terço e a soma do 2º com 3º terço.
Baseado na NBR 6484/2001 os ensaios são interrompidos quando acontecer um dos casos: primeiro número de golpes superior a 30, em um dos 15cm; segundo, quando a soma dos golpes for superior a 50 e terceiro quando na penetração de 5 golpes consecutivos, não
haver avanço do amostrador-padrão. O material será considerado impenetrável ao SPT.(ABNT, 2001).
De acordo com o NSPT encontrado nas sondagens, é possível determinar a classificação dos solos, conforme Tabela do Anexo A da NBR 6484/2001 (Figura 6):
Figura 6: Estados de compacidade e consistência do solo
Fonte: ABNT 6484 (2001)
2.3.1.1.3 Ensaio de Lavagem por Tempo
O ensaio de lavagem por tempo é utilizado na sondagem à percussão, com a finalidade de se analisar a penetrabilidade do solo ao avanço do trépano de lavagem quando a perfuração está abaixo do lençol freático ou quando não foi obtido o avanço preconizado com tradagem. O material escavado é removido por meio de circulação de água, realizada pela bomba d‘água motorizada, através da composição de perfuração, segundo descrito na NBR 6484/2001:
A operação em si, consiste na elevação da composição de perfuração em cerca de 30 cm do fundo do furo e na sua queda, que deve ser acompanhada de movimentos de rotação alternados (vai-e-vem), aplicados manualmente pelo operador. Segundo a mesma norma à medida que se for aproximando da cota de ensaio e amostragem, recomenda-se que essa altura seja progressivamente diminuída. Quando se atingir a cota de ensaio e amostragem, a composição de perfuração deve ser suspensa a uma altura de 0,20 m do fundo do furo, mantendo-se a circulação de água por tempo suficiente, até que todos os detritos da perfuração tenham sido removidos do interior do furo. Quando no ensaio de lavagem por tempo, forem obtidos avanços inferiores a 5,0 cm por períodos, em três períodos consecutivos
de dez minutos, o material será considerado impenetrável ao trepano. O impenetrável à lavagem por tempo, como critério para término da sondagem à percussão, não implicará eliminação dos ensaios de penetração SPT. (NBR 6484, 2001).
Não é recomendada a adoção do critério de impenetrável à lavagem por tempo para término da sondagem à percussão, quando estiver prevista a continuação da sondagem pelo processo rotativo (DELATIM, et. al., 2013) nas chamadas sondagens mistas.
2.3.1.1.4 Fatores que Influenciam no SPT
―Assim como qualquer outro ensaio de campo ou de laboratório, o SPT está sujeito à influência de diversos fatores‖. (CARVALHO, 2012, p.39).
A técnica de SPT difundiu-se maciçamente pela facilidade de aquisição do equipamento com baixo custo aquisitivo e facilidade operacional em relação a outros ensaios (Fonteles, 2003) e com isso, aliado a outros fatores temos resultados de Nspt nem sempre confiáveis. Os fatores que influenciam qualitativamente a obtenção do Nspt, são portanto de ordem material e humana, segundo o mesmo autor.
Berberian (apud Rocha, 2014) comenta que os fatores intervenientes no número de golpes SPT são:
Picos de sondagens causadas por pedregulhos e matacões;
Faca do amostrador padrão cega ou quebrada;
Sistema de soltura do martelo pode haver redução na energia de cravação e conseqüentemente aumentarem o índice de resistência à penetração (Nspt);
Número de golpes/minuto (freqüência);
Diferenças do nível d‘ água fora e dentro do furo;
Diâmetro do furo;
Poropressão gerada pela presença do nível d‘ água em solos finos,etc.
Segundo Schnaid e Odebrecht (2012, p.30):
A realidade brasileira pode ser aferida a partir do trabalho pioneiro de Belincanta (1998). Podem-se descrever os seguintes aspectos de equipamento como
influenciadores nos resultados: (a) martelo - energia transferida pelos diferentes mecanismos de levantamento e liberação para queda, massa do martelo e uso de cepo de madeira no martelo; (b) hastes - peso e rigidez, comprimento, perda de energia nos acoplamentos; (c) amostrador - integridade da sapata cortante, uso de válvula, uso de revestimento plástico interno (prática americana).
Em relação às propriedades dos solos que afetam a resistência a penetração Schnaid (2000), apresenta nas areias puras e siltes grossos de baixa compacidade e saturados, o efeito dinâmico de cravação tende a causar localmente, e próximo da ponta do amostrador, o fenômeno da liquefação, resultando em um índice baixo, cujo efeito é impossível de quantificar. ―Nas argilas muito sensíveis o efeito de amolgamento causado pela própria penetração do amostrador tende a diminuir o Nspt‖.(AUGUSTI, 2004, p28). Por outro lado, grandes resistências poderão ser apresentadas no caso do amostrador ser bloqueado por um pedregulho, ou quando um pedregulho penetra na faca do amostrador, travando-a. ―Para os solos colapsíveis, o emprego de lavagem na operação de perfuração diminui sensivelmente o Nspt, podendo alcançar reduções até 50%.‖ (AUGUSTI, 2004, p.29)
2.3.1.1.5 Conceito de Energia no SPT
Um aspecto importante a ser analisado é a quantidade de energia transmitida pelo sistema ao conjunto hastes-amostrador. A energia potencial gravitacional do martelo é o produto de três grandezas sendo elas, a massa do martelo mais o coxim, altura de queda e aceleração local da gravidade (SILVA, 2008, p.45).
Nem toda a energia potencial gravitacional gerada pelo sistema é transmitida ao conjunto hastes-amostrador sobre forma de energia dinâmica, isto por conta de perdas por atrito da corda de sisal, estado do sistema hastes-amostrador, etc. (BELINCANTA, 2004; SCHNAID, 2002 apud SILVA, 2008, p45).
Belincanta (apud Silva, 2008), relata que segundo as pesquisas, o valor de eficiência dos equipamentos de SPT brasileiro seria de 72%, desde então este valor (ou exatos 70%) tem sido utilizados pelo meio técnico e acadêmico como valor de referência.
2.3.1.1.6 Correção Nspt do SPT
No Brasil, segundo Schnaid e Odebrecht (2012) é comum o uso de sistemas manuais para a liberação de queda do martelo, cuja energia aplicada varia entre 70% e 80% da energia teórica. Em comparação, o mesmo autor cita que nos Estados Unidos e na Europa, o sistema é mecanizado e a energia liberada é de aproximadamente 60%. Atualmente, a prática internacional sugere normalizar o número de golpes com base no padrão internacional de N60, portanto previamente ao uso de uma correlação internacional, deve-se majorar o valor de NSPT em 15% a 30% quando medido em uma sondagem realizada segundo a prática brasileira.(SCHNAID e ODEBRECHT, 2012, p.33)
Sempre que os resultados de ensaio forem interpretados para a estimativa de parâmetros de comportamento do solo, serão fornecidas recomendações específicas acerca da necessidade de correção dos valores medidos de NSPT.(SCHNAID e ODEBRECHT, 2012). A correção para um valor de penetração de referência, normalizado com base no padrão internacional de N60, é realizada simplesmente por meio de uma relação linear entre a energia empregada e a energia de referência, baseando-se nesta formula:
(2.1) Energia aplicada (%)= valor dividido/100
2.3.1.2 Standard Penetration Test witch Torsion (SPT-T)
Ranzini (apud Mascarenhas, 2003,p. 11) ―propõe alterar a metodologia tradicional do SPT medindo o torque necessário para vencer o atrito lateral do amostrador ao final do ensaio.‖
Esse ensaio consiste conforme PEIXOTO (2001) na execução do ensaio SPT (NBR 6484/2001) e, logo após terminada a cravação do amostrador, é aplicada uma rotação ao conjunto haste-amostrador com o auxílio de um torquímetro. A introdução desse ensaio na rotina dos serviços de sondagem, assim como o estabelecimento das regras básicas para sua interpretação é obra de Décourt e Quaresma (1991, 1994).
Para este ensaio são necessários todos os equipamentos utilizados no ensaio SPT, com adição de um importante acessório para medida de torque, através do equipamento chamado de torquímetro (SILVA, 2001)
Existem no mercado vários tipos de torquímetros, desde modelos somente mecânicos até aparelhos eletrônicos modernos com ótimo desempenho, que devem ser calibrados periodicamente.(GEDORE, 2016)
O procedimento SPT-T consiste em após a cravação do amostrador padrão, retirar-se a cabeça de bater e colocar o disco centralizador até este apoiar-se no tubo guia (HACHICH, 1998). Rosqueia-se então, na mesma luva, onde estava acoplada a cabeça de bater, o pino adaptador. Encaixa-se no pino uma chave soquete onde se acopla o torquímetro. Na figura 8 o equipamento para realizar o ensaio SPT-T.
Aplica-se à haste uma torção, medindo, com um torquímetro usando um braço de alavanca e mantendo na horizontal, o momento de torção máximo necessário à rotação do amostrador-padrão, para obter, assim, uma medida da resistência lateral (Tmax) e o torque residual, que define a tensão de atrito lateral mínima (Tres).(GUIMARÃES, 2002)
Torque Máximo (Tmax) = momento de torção máximo necessário à rotação do amostrador, que representa um parâmetro de resistência lateral. Neste trabalho, concluiu-se que essa medida é obtida, em geral, logo após a aplicação do momento no conjunto haste-amostrador, sempre quando até se completar a primeira volta.(PEIXOTO,2001)
Torque residual (Tres) = momento de torção residual que permanece constante após o rompimento do atrilo lateral entre o solo e o amostrador. Essa medida é obtida durante a rotação ininterrupta do torquímetro, quando o torque permanecer constante. Neste trabalho, obteve-se a leitura quando completada a segunda volta do ensaio.(PEIXOTO,2001)
Segundo Peixoto (2001) o ensaio SPT-T, não está sujeito aos erros cometidos no ensaio SPT, tais como: massa cadente, altura de queda, atritos múltiplos, peso e rigidez das hastes, entre outros, restando apenas os erros relativos ao estado da parede lateral do amostrador, à velocidade de aplicação do torque e os erros de leitura, sistemáticos e acidentais, comuns a todas as medidas de grandeza.
Com o ensaio SPT-T obtém-se mais uma medida de resistência, o torque, que é medido em kgf.m. Com resultados dos ensaios SPT-T pode-se obter também o índice de torque (TR), que é definido conforme e equação 2.2.
(2.2)
TR= Índice do torque é relação entre o valor do torque medido em kgf.m⋅e o valor da resistência à penetração N do SPT utilizado em diversas correlações. (BORGES, 2004). T= torque (Kgf.m)
Guimarães (2002) esclarece que a medida do torque no ensaio SPT-T, faz deslumbrar a possibilidades de obter valores de fs mais próximos da adesão, na ruptura de estacas que as correlações hoje existentes baseadas no SPT.
Segundo Decóurt (apud Mascarenha ,2003,p.12) uma das formas para interpretação do SPT-T tem por base o conceito de Neq, sendo este definido como sendo o valor do torque dividido por 1,2. A idéia seria utilizar, preferencialmente, os valores de torque, admitindo que os mesmos seriam menos suscetíveis de sofrerem influência da ―estrutura‖ dos solos, do que os valores de Nspt.
Schnaid e Odebrecht (2012), cita que na rotina denominada de SPT-T, é possível determinar um valor para N equivalente (Neq), conforme equação 2.3:
(2.3)
Onde :
Figura 7: Instalação do torquímetro
Fonte: Schnaid e Odebrecht (2012).
Décourt e Quaresma (apud Mascarenha, 2003, p.12) ―relacionaram T e N72 (Índice de torque-TR) para solos sedimentares e residuais, sendo seus valores 1,1 e 1,84 respectivamente.‖
Na tabela 1 é apresentado conforme Peixoto (2001) a utilização do torquímetro adequado ao valor do Nspt nos ensaios de SPT-T.
Tabela 1– Controle da capacidade de carga dos torquímetros
Variação do Nspt Capacidade máxima do torquímetro
0-10 270 N.m ou 27 Kgf.m
11-30 480 N.m ou 48 Kgf.m
30-45 800N.m ou 80 Kgf.m
Fonte : Adaptada de Peixoto (2001)
2.4 Capacidade de Carga de Estacas Através de Métodos Semi-Empíricos
Carga admissível de uma estaca é a força aplicada sobre esta, provocando apenas recalques que a construção pode suportar sem inconvenientes e oferecendo, simultaneamente, segurança satisfatória contra a ruptura ou o escoamento do solo ou do elemento estrutural de fundação (MASCARENHA, 2003, p.14)
Segundo o mesmo autor a capacidade de carga - PR (equação 2.4) é definida como a soma das cargas máximas que podem ser suportadas pelo atrito lateral PL e pela ponta PP.
PR = PL + PP (2.4) Figura 8: Fundação profunda conforme NBR 6122/2010
Fonte: ABNT (2010)
2.4.1 Metodologias de Cálculos usando ensaios SPT e SPT-T
A seguir apresentam-se alguns métodos que utilizam parâmetros obtidos a partir dos ensaios SPT-T para cálculo de capacidade de carga de estaca a partir da resistência lateral (fs), torque máximo (Tmax) e residual (Tres):
2.4.1.1 Ranzini (2000)
―Ranzini (1988) propõe alterar a metodologia tradicional do SPT medindo o torque necessário para vencer o atrito lateral do amostrador ao final do ensaio‖. (MASCARENHA, 2003.p.11). Em 2000 sugeriu o emprego da resistência lateral obtida no torque para o a estimativa da tensão lateral de estacas, com uso exclusivo do Torque (Tmax) no calculo do fs, sem utilização do Nspt e sem a descrição do tipo de solo (PEIXOTO, 2001), apresentado na equação 2.5:
(2.5) Em que:
T= é o torque aplicado às hastes, dado em (Kgf.m) h= é a altura total de penetração do amostrador (45 cm)
fs= resistência de atrito lateral entre o amostrador e o solo, em Kpa
2.4.1.2 Método Aoki - Velloso (1975)
O método de Aoki-Velloso (1975) foi desenvolvido a partir de um estudo comparativo entre resultados de provas de carga em estacas e investigações geotécnicas.
O método, inicialmente, baseava-se em resultados de sondagem CPT para determinar as resistências unitária de ponta e lateral, qp e qL, respectivamente, equações 2.6 e 2.7:
qp = qc / F1 (2.6)
qL = fs / F2 (2.7)
Onde:
qp= resistências unitária de ponta qL= resistências unitária lateral
qc= capacidade de carga da ponta da estaca fs= atrito lateral
Os Aoki e Velloso (1975) propuseram valores para F1 e F2 para diferentes tipos de estacas (Tabela 3) e também o equacionamento para obter qc e fs a partir do ensaio SPT, equações 2.8 e 2.9:
qc = k x NSPT (2.8 )
fs = α x k x NSPT (2.9)
Sendo k e α (coeficientes do solo) dados na Tabela 2 em função do tipo de solo. O método estabelece como coeficiente de segurança para obtenção da carga admissível um valor de 2,0.(NBR 6122/2010).
O calculo da capacidade de carga da estaca Qu, pode ser obtida então pelas equações 2.10 e 2.11:
(2.10) (2.11)
Onde:
Nspt= Número de golpes da camada conforme SPT Ap = Área da ponta: ( × 2
)/4
U= Perímetro do Fuste da estaca: × ∆L = Profundidade de cada camada do SPT
Tabela 2 – Valores de K e α
Tipo de Solo K (MPa) α(%)
Areia 1,00 1,40 Areia siltosa 0,80 2,00 Areia silto-argilosa 0,70 2,40 Areia argilosa 0,60 3,00 Areia argilo-siltosa 0,50 2,80 Silte 0,40 3,00 Silte arenoso 0,55 2,20 Silte areno-siltoso 0,45 2,80 Silte argiloso 0,23 3,40 Silte argilo-arenoso 0,25 3,00 Argila 0,20 6,00 Argila arenosa 0,35 2,40 Argila areno-siltosa 0,30 2,80 Argila siltosa 0,22 4,00 Argila silto-arenosa 0,33 3,00 Fonte: Aoki-Velloso (1975) Tabela 3 – Valores de F1 e F2 Estacas F1 F2 Franki 2,50 5,00 Pré-moldada circular 1,75 3,00 Pré-moldada quadrada 1,75 3,00 Metálica 1,75 3,50
Escavada com lama 3,00 6,00
Escavada sem lama 3,00 6,00
Strauss 4,20 3,90
Raiz 2,20 2,40
Hélice contínua 3,00 3,80
2.4.1.3 Décourt e Quaresma (1996)
Este método é uma modificação da metodologia proposta por Décourt e Quaresma (1978) substituindo-se nos cálculos diretamente o valor do Nspt obtido no SPT pelo torque obtido no SPT-T para o cálculo da capacidade de carga de estacas. A única ressalva é que para solos residuais os valores do coeficiente k (depende do tipo de solo) e devem ser acrescidos de (T/Nspt).
Posteriormente Décourt (citado por Soares apud Guimarães , 2002, p.21) introduziu os α e β e o conceito de Neq, sendo este parâmetro, obtido pela razão entre o torque medido e um valor numérico constante, que para a bacia sedimentar terciária da cidade de São Paulo é de 1,2. Este valor varia de um local para outro, portanto deve ser regionalizado.
Décourt (1996) volta a utilizar os valores propostos na metodologia de 1978, introduzindo além de sugerir a utilização de Neq (Neq = Tmax/1,2), quando forem obtidos dados de torque nos ensaios SPT-T, de acordo com a equação 2.12 proposta para o método:
(2.12) Onde:
Qu= carga de ruptura das estacas (KN), conforme Decourt e Quaresma (1996) α = coeficiente que depende do tipo de estaca e do tipo de solo (Tabela 4); qp = capacidade de carga da ponta da estaca,
Ap = área da ponta da estaca;
β = coeficiente que depende do tipo de estaca e do tipo de solo (Tabela 5); qs = atrito lateral;
As = área lateral da estaca
Tabela 4 - Valores do coeficiente α em função do tipo de solo e estaca
Tabela 5 - Valores do coeficiente β em função do tipo de solo e estaca
Fonte: Décourt (1996) apud Guimarães (2002)
A capacidade de carga da ponta da estaca é calculada pela equação:
(2.13) Onde:
K = fator característico do solo (Tabela 6);
Np = valor médio dos índices (Nspt) de resistência à penetração, medidos na ponta da estaca e imediatamente acima e abaixo dela.
Tabela 6 - Fator característico do solo :K
Fonte: Décourt (1996) O atrito lateral da estaca é calculado pela equação 2.14:
(2.14) Onde:
N= valor médio do índice de resistência à penetração ao longo do fuste= Nspt, desconsiderando os valores utilizados na avaliação da resistência de ponta. ―O valor de Nspt deve variar entre 3 e 50, e pode-se adotar o valor do Neq no lugar do Nspt‖.(GUIMARÃES, 2002, p.22)
2.5 Análises Gerais da Relação T/Nspt
Décourt e Quaresma (1991) relacionaram os valores do Índice de Torque (T /N72) para solos sedimentares e residuais com, sendo estes 1,1 e 1,84 respectivamente. Alonso (1996a) correlacionou os ensaios SPT e SPT-T para 25 áreas da Bacia Sedimentar Terciária da cidade de São Paulo e arredores, onde verificou que a correlação média Tmáx/Tres é (em N.m) ≅10N ou 1Kgf.m. Dessa forma, é possível aplicar o ensaio SPT quando não se dispõe do ensaio SPT-T, utilizando-se as correlações existentes.
No entanto, Camapum de Carvalho et al (1998) analisaram resultados de ensaios SPT-T em ensaios de campo de solos do Distrito Federal e verificaram utilizando o procedimento da norma, a relação média Tmáx/Nspt foi de 1,16 e 1,24 e para Tres/N foi de 0,62 e 0,85 para os dois solos respectivamente (sedimentar e residual), com resultados diferentes de Alonso (1996a). Destaca-se ainda que a relação proposta por Alonso (1996a) Tres/Nspt = 1Kgf.m, não corresponde aos valores obtidos para os solos residuais e transportados estudados.
Segundo Mascarenha (2003,p.12), constata-se que a relação T/Nspt não parece ser um parâmetro eficiente na associação com a origem dos solos tropicais, mesmo porque as propriedades e comportamento desses solos variam com a profundidade e de região para região, em função do grau de intemperismo sofrido.
Diferente aplicação do torque seria na identificar de solos colapsíveis. De acordo com Guimarães (2002) valores de índice de torque (TR) entre 1,0 e 1,2 indicariam solos estáveis, ou seja, Índice de compactação (IC), menores que 2% (IC≤2%). Enquanto valores de TR iguais ou superiores a 2,5 seriam indicativos de solos colapsíveis (IC ≥ 2%), isso para as argilas porosas de São Paulo As correlações entre o SPT e o atrito lateral (Tmax) medido com o torque para o solo do Distrito Federal, são diferentes, quando comparadas com as obtidas em outras regiões, indicando mais uma vez que estas devem ser regionalizadas. (MASCARENHA, 2003, p.12).
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MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 Estratégia de Pesquisa
Esta pesquisa pode ser classificada APLICADA, por sua natureza Quanto aos objetivos, este estudo pode ser classificado como EXPLORATÓRIO e EXPLICATIVO. A forma dos procedimentos utilizados será BIBLIOGRÁFICA a partir de material já publicado. É também EXPERIMENTAL, pois utiliza ensaios de campo e laboratório. Quanto à forma de abordagem, pode ser classificada como QUANTITATIVA, pois os números resultantes serão verificados e analisados a partir de ensaios a campo e de laboratório.
3.2 Delineamento
O delineamento do trabalho de conclusão de curso compõe-se de 4 etapas que estão ilustradas na figura 9.
Figura 9 – Delineamento da Pesquisa
Fonte: Autoria própria
3.3 Ensaios SPT E SPT-T
Realizaram-se 3 (três) ensaios de SPT e SPT-T em distintas posições geográficas na cidade de Ijuí, região noroeste do Rio Grande do Sul, em solos residuais de basalto.
• Compreensão do tema • Orientações do professor • Fundamentação teórica
Revisão Bibliográfica
• Realização dos ensaios de campo (SPT e SPT-T) • Realização dos ensaios de laboratório
Desenvolvimento
• Relatórios de sondagens
• Relatórios dos ensaios de laboratório • Memória de Cálculo
Compilação dos dados
• Análise dos Resultados
• Comparação com a bibliografia • Conclusão
3.3.1 Equipamentos Necessários
Para realização das sondagens SPT e SPT-T foram utilizados um conjunto de sonda, da marca MaqSonda, constituído por: roldana, cabo de aço 3-8X12m com manilha, martelo com guia, amostrador, cabeça de bater, tripé, hastes de diversos tamanhos,bica lavagem, bico amostrador, chave de alçar, chifre de bode, saca tubo, cruzeta, elevador, trado helicoidal e trépano, pertencentes à Empresa MINERAG, que gentilmente disponibilizou o maquinário, veículos e funcionários para execução dos ensaios.
Figura 10 – Equipamentos de sondagem utilizados no ensaio
Fonte: Autoria própria
Os dois torquímetros utilizados para os ensaios de SPT-T são da marca GEDORE, que medem o atrito lateral e residual, com leituras de 40 N.m (4Kgf.m) a 200 N.m (20Kgf.m) referência R-150, de menor porte, e de 200 N.m (20Kgf.m) a 800 N.m (80Kgf.m) referência R-600, de maior porte.
Figura 11 - Torquímetros utilizados nos ensaios de SPT-T
Fonte: Autoria própria
3.3.2 Execução ensaios SPT e SPT-T
Para os três locais de estudo foram executados ensaios SPT e SPT-T, descrito na revisão bibliográfica no item 2.3.1.1 e 2.31.2, a fim de determinar os valores de Nspt e do Torque (T) das camadas do maciço de solo onde os ensaios foram executados.
Os valores NSPT e de Torque (máximo e residual) característicos serão aplicados nas fórmulas semi-empíricas dos métodos de estimativa de resistência de atrito lateral e residual, sendo comparados e analisados para serem utilizados em dimensionamento de fundações.
Foram colhidas amostras do amostrador para descrição táctil visual nos relatórios de sondagens, e do trado helicoidal para os ensaios de laboratório (60 kg), ambas entre as camadas de 1 a 2 m de profundidade.
O torque foi realizado após a penetração do amostrador padrão e realização do SPT a cada metro, onde a cabeça de bater era retirada e acoplava-se o pino adaptador do torquímetro e anel centralizador adaptado, conforme descrito no item 2.3.1.2 da revisão de literatura. A partir deste momento, no sentido horário, fazia-se a leitura da primeira volta do torque máximo e posteriormente, aplicava mais duas voltas, onde o valor do torquímetro permanecia constante, realizando-se a leitura do torque residual.
Figura 12 – Colaborador realizando o teste do SPT-T
Fonte: Autoria própria
3.4 Ensaios Laboratoriais
Nesta seção estão descritos os ensaios laboratoriais, indicando as normas que os regem e que foram utilizadas para a classificação de amostras para esta pesquisa. Todos os ensaios foram realizados no laboratório de solos do Laboratório de Engenharia Civil (LEC) da UNIJUÍ Campus Ijuí. A coleta das amostras de solos a campo foi padronizada entre as cotas de 1 a 2 m abaixo da superfície, utilizando–se para isso do trado helicoidal e de caracterização geológica prévia da camada de sondagem.
3.4.1 Preparação das amostras
A norma NBR 6457/1986 preceitua os métodos para preparação de amostras de solos para os ensaios de compactação e de caracterização (análise granulométrica, determinação dos limites de liquidez e plasticidade, massa específica dos grãos que passam na peneira de 4,8 mm, massa específica aparente e absorção de água dos grãos retidos na peneira 4,8 mm). A norma ainda contém um anexo apresentando um método para determinação do teor de umidade de solos, em laboratório.(ABNT,1986)
3.4.2 Análise Granulométrica das Amostras
A norma NBR 7181:1984 versão corrigida 1988, preconiza a análise granulométrica do solo, em que a análise pode ser realizada por peneiramento (para partículas maiores que
