UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
MAYANY LUPATINI
MAPEAMENTO GEOTÉCNICO DO SUBSOLO DE
LUCAS DO RIO VERDE – MT COM BASE EM ENSAIOS DPL E SPT
Sinop
2016/2
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
MAYANY LUPATINI
MAPEAMENTO GEOTÉCNICO DO SUBSOLO DE
LUCAS DO RIO VERDE – MT COM BASE EM ENSAIOS DPL E SPT
Projeto de Pesquisa apresentado à Banca Examinadora do Curso de Engenharia Civil – UNEMAT, Campus Universitário de Sinop-MT, como pré-requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Prof. Orientador Dr. Flavio Alessandro Crispim.
Sinop
2016/2
LISTA DE EQUAÇÕES
(1) – Energia de ensaio ... 19
(2) – Resistência de trabalho da ponta à penetração teórica (Eteor.) ... 19
(3) – Resistência de trabalho da ponta à penetração medida (Emed.) ... 19
(4) – Tensão de resistência de ponta (AENOR, 2008) ... 19
(5) – Tensão de resistência de ponta (NILSSON, 2008) ... 20
(6) – Força resistente de ponta ... 20
(7) – Penetração média da ponteira por golpe de martelo ... 21
(8) – Força resistente de ponta ... 21
(9) – Atrito lateral ... 21
(10) – Área da superficie do cone metálico ... 21
(11) – Braço de alavanca ... 22
(12) – Atrito lateral ... 22
(13) – Fórmula de Mohr ... 23
(14) – Ângulo de atrito estimado para areias... 23
(15) – Carga admissível ... 23
(16) – Carga admissível em função da penetração das hastes do equipamento ... 23
(17) – Tensão admissível para fundações rasas ... 23
(18) – Tensão admissível para fundações profundas ... 23
(19) – Resistência a ruptura dinâmica (DER/MG, 2013)...24
(20) – Ruptura estática...24
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Compacidade de solos granulares avaliados a partir do DPL ... 25
Tabela 2 - Consistência de solos finos avaliados a partir do DPL ... 25
Tabela 3 - Características do equipamento ... 28
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Mapa geológico do estado de Mato Grosso ... 12
Figura 2 - Bacia do Parecis ... 13
Figura 3 - Esquema de ensaio do SPT ... 15
Figura 4 - Medição do torque SPT - T ... 16
Figura 5 - Esquema do equipamento DPL ... 18
Figura 6 - Dimensões da ponteira cônica do DPL ... 18
Figura 7 - Perímetro urbano de Lucas do Rio Verde ... 26
Figura 8 - Aparelho de DPL e acessórios ... 27
Figura 9 - Detalhe do equipamento ... 27
Figura 10 - Guincho manual para extração das barras ... 28
Figura 11 - Torquímetro ... 28
Figura 12 - Gráficos obtidos com o ensaio DPL ... 31
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO
1. Título: Mapeamento Geotécnico do subsolo de Lucas do Rio Verde – MT com base em ensaios DPL e SPT.
2. Tema: Engenharia Civil
3. Delimitação do Tema: Geotécnica 4. Proponente(s): Mayany Lupatini
5. Orientador(a): Flavio Alessandro Crispim 6. Coorientador(a): -
7. Estabelecimento de Ensino: UNEMAT – Universidade do Estado de Mato Grosso
8. Público Alvo: Público em geral
9. Localização: Av. dos Ingás, n° 3001, Jardim Imperial, Sinop – MT, CEP: 78555-000, Brasil.
SUMÁRIO
LISTA DE EQUAÇÕES ... I LISTA DE TABELAS ... II LISTA DE FIGURAS ... III DADOS DE IDENTIFICAÇÃO ... IV 1 INTRODUÇÃO ... 6 2 PROBLEMATIZAÇÃO ... 7 3 JUSTIFICATIVA... 9 4 OBJETIVOS ... 11 4.1 OBJETIVO GERAL ... 11 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 11 5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 12 5.1 FORMAÇÃO DO SOLO ... 12 5.1.1 Bacia do Parecis ... 13 5.2 ENSAIOS GEOTÉCNICOS ... 14
5.2.1 Standard Penetration Test – SPT ... 14
5.2.2 Ensaio Penetrômetro Dinâmico Leve – DPL ... 17
6 METODOLOGIA ... 26
6.1 LOCAL ... 26
6.2 MATERIAIS ... 26
6.2.1 Penetrômetro Dinâmico Leve - DPL ... 26
6.2.2 Torquímetro ... 28
6.3 MÉTODOS ... 29
6.3.1 Levantamento topográfico, geológico e geotécnico ... 29
6.3.2 Ensaio DPL com torque ... 29
6.3.3 Parâmetros geotécnicos ... 30
6.3.4 Confecção do mapa do perfil geotécnico do subsolo ... 32
7 RECURSOS MATERIAIS ... 33
8 CRONOGRAMA ... 34
1 INTRODUÇÃO
A investigação do subsolo é fundamental para a elaboração de um projeto geotécnico, pois através dela é possível conhecer as características do solo e obter os parâmetros necessários para o dimensionamento de qualquer tipo de obra. As características do subsolo podem ser obtidas por meio de ensaios de campo e/ou de laboratório.
O ensaio de campo tradicionalmente empregado no Brasil é o Standard Penetration Test (SPT). Apesar de amplamente difundido, existem detalhes durante a execução deste ensaio que podem interferir nos resultados finais da investigação. Além disso, devido a alta energia utilizada pelo equipamento, alguns estudos mostraram que o SPT apresenta pouca sensibilidade aos solos de baixa capacidade de carga, evidenciando a necessidade de utilização de um ensaio de campo alternativo, de execução simples e que utilize uma baixa energia aplicada na penetração do solo.
Um ensaio alternativo ao SPT e quem vem apresentando bons resultados em prospecções nos solos brasileiros é o Penetrômetro Dinâmico Leve (Dynamic Probing Light - DPL), um instrumento de ensaio de investigação geotécnica que fornece índices sobre a resistência do solo através da cravação de uma ponteira cônica metálica. O equipamento possui como vantagens a praticidade, o baixo custo operacional e de equipamento e dimensões reduzidas que facilita a sua mobilização e utilização em regiões de difícil acesso.
Como forma de análise das características geotécnicas obtidas por meio de ensaios de campo, surge o mapa do perfil geotécnico, que contém informações a respeito do subsolo de maneira sistematizada, de modo a orientar o melhor uso e ocupação do solo, seja na construção de edificações, obras subterrâneas ou ainda, na execução de infraestruturas.
O emprego de mapas geotécnicos por parte dos órgãos competentes responsáveis pelo planejamento urbano de um município, possibilita que as áreas urbanas sejam melhor exploradas e ocupadas, aproveitando as potencialidades ou mesmo respeitando as limitações que o solo e subsolo oferecem.
Dentro deste contexto este trabalho tem como objetivo confeccionar um mapa do perfil geotécnico do subsolo da área urbana do município de Lucas do Rio Verde.
2 PROBLEMATIZAÇÃO
As propriedades geomecânicas do solo são dados imprescindíveis para a elaboração e execução de um projeto de engenharia geotécnica, pois através delas é possível obter parâmetros para o correto dimensionamento de uma obra. A determinação das características e das propriedades do subsolo são obtidas através de ensaios de campo (investigação “in-situ”) e de laboratório.
O ensaio geotécnico tradicionalmente, e quase que exclusivamente, utilizado em sondagens no Brasil é o Standart Penetration Test – SPT (GIACHETI et. al., 2006). Apesar da ampla utilização e regulamentação deste ensaio, vários detalhes durante a sua execução podem influenciar nos resultados, demostrando em alguns casos, dados que não condizem com a realidade (CAVALCANTE, 2002).
A preocupação com a qualidade da execução do ensaio de SPT não é recente. Menezes (1996) já dizia que a qualidade dos serviços prestados vinha caindo vigorosamente e Mota (2003) relata que há uma diversidade nos procedimentos e falta de padronização nas execuções dos ensaios, como por exemplo, a falta de quantificação e controle da energia utilizada. Delatim (2011) cita que a redução na qualidade dos serviços de sondagem é decorrente de três fatores principais: a falta de equipamentos adequados, de mão-de-obra treinada e qualificada e de fiscalização, tornando a execução do ensaio aquém do preconizado pelas normativas vigentes e acarretando em baixa qualidade dos resultados finais.
Outros autores como Ávila e Conciani (2006), mencionam as restrições práticas ao uso do SPT, como a dificuldade de deslocamento de equipe e equipamentos. Além disso, a precariedade dos acessos às obras distantes de grandes centros urbanos aumenta os custos de mobilização e execução deste tipo de sondagem.
Apesar da ampla utilização desse ensaio em regiões que apresentam solos de baixa resistência, tal qual o solo objeto de estudo deste projeto de pesquisa, o SPT não apresenta sensibilidade para bem avaliar este tipo de solo (ÁVILA e CONCIANI, 2006). Nilsson (2004a) indica a utilização do SPT em solos com NSPT>20, em furos com mais de 12 metros ou ainda em solo granular.
Neste contexto, outros ensaios de campo tornam-se opções mais sensíveis e adequadas, tais como os equipamentos de investigação que utilizam baixa energia
aplicada, como por exemplo, o Penetrômetro Dinâmico Leve – DPL, equipamento de execução simples, baixo custo de mobilização e que apresenta bons resultados, comprovados em estudos já realizados por vários autores, tais como: Mota (2003), que estudou argilas em Brasília-DF utilizando o DPL juntamente com outros ensaios; Nilsson (2004a), que fez comparações entre o DPL e o SPT; Ávila e Conciani (2005), que relataram as primeiras experiências com DPL em Mato Grosso e Nilsson (2008), que trouxe correlações e obtenções de parâmetros do solo por meio do DPL. De acordo com Delatim (2011) outro problema frequente é a falta de comprometimento das empresas de sondagem com relação à geologia do local onde estão sendo realizadas as perfurações do ensaio. Em muitos casos, não há o acompanhamento de um profissional, como por exemplo, um geólogo ou engenheiro especializado, acarretando em descrições equivocadas do subsolo e dos testemunhos de sondagem (amostras), e que muitas vezes não representam coerência com o contexto geológico do local.
A consequência de todos esses fatores é a não confiabilidade nos resultados e/ou dados não condizentes com as características do solo local, além de custo elevado na execução e mobilização das investigações do subsolo, o que pode ser um dos agravantes ao fato de que a quantidade de obras dimensionadas sem os parâmetros geotécnicos necessários vem aumentando consideravelmente. Isso pode acarretar no superdimensionamento de fundações gerando gastos desnecessários ao proprietário da obra; ou ainda, no sub dimensionamento, sobrecarregando o solo com esforços aos quais não resiste ocasionando patologias nas edificações.
Além disso, outro problema decorrente do não conhecimento das características do subsolo é mau uso e ocupação do solo urbano, de modo que áreas urbanas vêm sendo exploradas e ocupadas inadequadamente e sem um planejamento prévio por parte das autoridades competentes, não aproveitando assim as potencialidades ou mesmo respeitando as limitações que o solo e subsolo oferecem (SILVA, 2008).
3 JUSTIFICATIVA
A investigação do subsolo é fundamental para a elaboração de um projeto geotécnico, pois através dela é possível conhecer as características do solo e obter os parâmetros necessários para o dimensionamento de qualquer tipo de obra. Logo, deve-se utilizar um método de ensaio de campo que possibilite a obtenção desses dados de maneira correta, executada de acordo com a normativa, e coerente, utilizando o instrumento mais adequado para cada tipo de solo, levando em consideração a sua capacidade de carga.
O DPL é um instrumento de ensaio de investigação geotécnica que fornece índices sobre a resistência de um solo através da cravação de um cone metálico. O equipamento possui pequenas dimensões que reduz significativamente os custos de mobilização, pois não necessita de um veículo apropriado. A operação do aparelho é simples e rápida, sendo necessário apenas um operário e seu ajudante.
Em estudos realizados no município de Sinop utilizando o equipamento DPL, observou-se que o ensaio apresenta um resultado adequado ao solo, demostrando curvas de penetração com forma semelhante à do ensaio SPT (PINTO, 2012).
De acordo com Ávila e Conciani (2006), o DPL apresenta melhor resolução de variações e lentes de diferentes resistências no solo, fato importante devido à baixa capacidade de carga dos solos locais. Apresenta ainda alcance suficiente para sondagens que visam a utilização de fundações superficiais (sapatas) e profundas (estacas tipo broca) comumente utilizada em obras da região.
Como forma de análise das características geotécnicas obtidas por meio de ensaios de campo, surge o mapa do perfil geotécnico, que conterá informações a respeito do subsolo de maneira sistematizada, de modo a orientar o melhor uso e ocupação do solo, seja na construção de edificações, obras subterrâneas ou ainda, na execução de infraestruturas, apresentando grande aplicabilidade (SILVA, 2008).
No desenvolvimento de uma cidade, por exemplo, as informações contidas no mapa poderão ser utilizadas para a elaboração do plano diretor, nas diretrizes de uso e ocupação do solo. Assim, o planejamento urbano irá considerar as características geotécnicas para gerenciar a ocupação de uma área, de modo a trazer agilidade durante a execução de obras e economia na implantação de construções.
Além disso, ao se executar qualquer outro ensaio de investigação geotécnica, o projetista já terá uma ideia geológica do solo em que está trabalhando, diminuindo as chances de descrições equivocadas das camadas do subsolo e apresentando coerência com o contexto geológico do local.
4 OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GERAL
Confeccionar um mapa do perfil geotécnico do subsolo da área urbana de Lucas do Rio Verde – MT com base em dados de SPT e DPL.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Compilar dados de ensaio SPT executados na área urbana do município de Lucas do Rio Verde – MT;
Executar o ensaio DPL com torque na área urbana do município de Lucas do Rio Verde – MT;
Caracterizar o subsolo com base nos dados DPL;
Estimar os parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo dos locais ensaiados;
Confeccionar o mapa do perfil geotécnico do subsolo da área urbana de Lucas do Rio Verde – MT.
5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
5.1 FORMAÇÃO DO SOLO
Geologia é a ciência que investiga o meio natural do planeta, bem como a sua composição, estrutura, história, propriedades físicas e todos os processos que lhe deram origem (TOLEDO, 2002).
Segundo Giacheti et. al. (2006) o conhecimento da história geológica dos terrenos é fundamental para a adequada interpretação da geometria das camadas, além de propiciar, através de suas características, um melhor entendimento da formação e do comportamento do solo.
A Companhia de Pesquisas de Recursos Minerais – CPRM disponibiliza o mapa geológico do Estado de Mato Grosso, o qual descreve as principais características do solo e suas unidades litoestratigráficas. A Figura 1 apresenta um detalhe do mapa geológico, onde é possível visualizar o município de Lucas do Rio Verde, local de estudo deste projeto de pesquisa.
Figura 1 - Mapa geológico do estado de Mato Grosso Fonte: (CPRM, 2004)
O município de Lucas do Rio Verde está na delimitação da unidade litoestratigráfica de sigla NQdl, que significa “Coberturas Detríto-Lateríticas Ferruginosas: lateritas com concentrações ferruginosas, níveis de cascalho e horizontes mosqueados”. Além disso, este solo teve formação na éon Fanerozoicas, era Cenozoico, entre os períodos quaternário e terciário, a cerca de 1,8 milhão de anos. De acordo com o mapa de domínios tectono-estratigráficos, o munícipio pertence a Bacia do Parecis (CPRM, 2004). O mapa de solos ainda caracteriza o solo como LVAd – Latossolo Vermelho-Amarelo distrófico (IBGE, 2009).
5.1.1 Bacia do Parecis
A região de estudo pertence a Bacia do Parecis (Figura 2), que é uma das oito bacias sedimentares Fanerozoicas do Brasil. A Bacia é formada por uma área de 500.000 km² nos estados de Rondônia e Mato Grosso, com mais de 6.000 metros de sedimentos Paleozoicos, Mesozoicos e Cenozoicos (BAHIA, 2007).
Figura 2 - Bacia do Parecis Fonte: (BAHIA, 2007)
Ao longo dos períodos geológicos ocorreram evoluções tectoestratigráficas, causadas pelo movimento das placas tectônicas, que modificaram as unidades litoestratigráficas, ou seja, os estratos que constituem um volume reconhecível de rocha, da região. Um exemplo dessa evolução foi o evento extensional que ocorreu na era Mesozoica, quando a Bacia do Parecis foi afetada pela separação entre a
América do Sul e a África. Esse evento acarretou no preenchimento de rochas sedimentares e vulcânicas em depressões da bacia. No período Cretáceo, pertencente a esta mesma era, foram depositados compostos de conglomerados e arenito, em ambientes fluvial e eólico (BAHIA, 2007).
A região de estudo, município de Lucas do Rio Verde - MT, pertence a Bacia do Parecis, porém as unidades litoestratigráficas que caracterizam o solo do município são de formação mais recente.
5.2 ENSAIOS GEOTÉCNICOS
Em projetos de fundação e obras de terra a investigação do subsolo é fundamental e para isso devem-se utilizar ensaios adequados que possibilitem definir o perfil estratigráfico, o que inclui identificar as camadas, suas espessuras e os diferentes tipos de solo existentes (GIACHETI et. al., 2006). Além disso, determina-se a posição do lençol freático e os parâmetros mecânicos e hidráulicos das camadas de interesse. Para a obtenção dessas propriedades, podem ser executados ensaios de laboratório ou in situ (ALMEIDA, 1998).
Segundo Giacheti et. al. (2006), na engenharia de fundações as investigações realizadas são quase que exclusivamente sondagens SPT.
Apesar da ampla utilização do ensaio SPT, há vários detalhes durante a execução deste ensaio que podem interferir e influenciar nos resultados, demonstrando em alguns casos dados que não estão de acordo com a realidade (CAVALCANTE, 2002).
Dessa forma, existem outros ensaios que podem ser utilizados em sondagens geotécnicas, tais como o Cone Penetration Test (CPT), o ensaio Pressiométrico de Ménard (PMT), o ensaio Dilatométrico (DMT), o ensaio de Palheta (Vane Test), o Penetrômetro Dinâmico Leve (DPL), entre outros, que permitem a obtenção dos parâmetros geotécnicos necessários para a execução dos projetos de engenharia.
5.2.1 Standard Penetration Test – SPT
O Standard Penetration Test – SPT, desenvolvido no final da década de 1920 é atualmente a ferramenta de investigação geotécnica mais utilizada na prática da engenharia. Introduzido no Brasil em 1939 através do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) é normatizado pela ABNT (2001).
Segundo a ABNT (2001), a sondagem deve ser iniciada com a utilização do trado-concha (cavadeira manual) até a profundidade de 1 metro. Na base do furo desta escavação, apoia-se o amostrador-padrão de diâmetro externo de 50,8 mm +- 2 mm, e acoplado a ele, a haste de perfuração que deverá ter marcações, com giz, de um seguimento de 45 cm dividido em três trechos iguais de 15 cm.
A ABNT (2001) preconiza que a cada metro de perfuração devem ser colhidas amostras do solo por meio do amostrador-padrão, a partir de 1 metro de profundidade.
Prossegue-se a cravação do amostrador por meio da queda sucessiva do martelo padronizado de 65kg que cai livremente de uma altura de 75 cm, conforme esquematizado na Figura 3. Deve-se então, anotar o número de golpes necessários à cravação de cada segmento de 15 cm. Assim, o valor do índice de resistência do solo (N30 ou Nspt) é a soma do número de golpes para a penetração do amostrador nos últimos 30 cm do solo.
Figura 3 - Esquema de ensaio do SPT Fonte: (PINTO, 2006)
Nas operações de perfuração e de amostragem, utiliza-se o trado-concha ou o helicoidal até atingir o nível d’água ou até que o avanço da perfuração seja inferior a 50 mm após 10 minutos de operação. Nestes casos, passa-se ao método de perfuração por circulação de água (lavagem), utilizando um trépano como
ferramenta de escavação, com auxílio de bomba d’água para remoção do material (ABNT, 2001).
O ensaio será interrompido quando atingir o impenetrável ou o critério técnico adequado para a obra. As amostras extraídas são enviadas ao laboratório para análise e classificação do solo e o relatório final do ensaio indicará a resistência do solo a cada metro perfurado, o tipo e a espessura do material e a posição do nível d’água, quando encontrado durante a perfuração (ABNT, 2001).
No ensaio de SPT, há ainda a possibilidade de obtenção da resistência de atrito lateral entre o amostrador e o solo. Para isso, realiza-se a medida do torque (SPT-T) com auxílio de um torquímetro que deve ser acoplado na haste de perfuração com a remoção da cabeça de bater. O esquema de medição do torque é mostrado na Figura 4.
Figura 4 - Medição do torque SPT - T Fonte: (MOTA, 2003)
De acordo com Mota (2003), a sugestão de medida de torque foi proposta em 1988 por Ranzini, que sugeriu que o mecanismo adicional da medida do atrito lateral não altera em nada o procedimento para a obtenção do índice de resistência à penetração (Nspt), pelo contrário, é uma maneira prática, rápida e de baixo custo de se obter este parâmetro.
O SPT em relação aos demais ensaios geotécnicos tem como principais vantagens a simplicidade do equipamento, o baixo custo, a obtenção de valores numéricos de resistência a penetração, a retirada de amostras e a posição do nível d’água (SCHNAID, 2000). Apesar disso, e das normatizações existentes, Mota (2003) observa que há uma diversidade nos procedimentos e falta de padronização
Torquímetro Adaptador Haste do amostrador Disco centralizador Adaptador Haste do amostrador Disco centralizador
Tubo de revestimento Tubo de revestimento
Bico
Haste do amostrador Bico
na execução do ensaio, como a não quantificação e controle da energia utilizada, além de encontrar operadores despreparados utilizando equipamentos deteriorados e em desacordo com a norma, ocasionando uma baixa qualidade aos resultados finais do ensaio.
5.2.2 Ensaio Penetrômetro Dinâmico Leve – DPL
Segundo a Associação Brasileira de Geologia de Engenharia – ABGE (1998), os penetrômetros dinâmicos são instrumentos que fornecem índices sobre a resistência à penetração de um solo. São constituídos por um tubo ou ponteira maciços ligados a hastes, e introduzidos no solo por pressão de um macaco hidráulico (penetração estática) ou de sucessivos golpes de um peso de cravação (penetração dinâmica).
Nos equipamentos dinâmicos, a energia necessária à cravação da haste provém da queda livre de uma massa sobre um elemento solidário à haste. Já no equipamento estático, a energia é obtida através de sistemas como por exemplo, macacos hidráulicos (TSUHA, 2003).
O penetrômetro dinâmico leve (Dynamic Probing Light – DPL) é um penetrômetro dinâmico que consiste na cravação de um cone metálico no solo, através de uma pequena energia por golpe e, por esse motivo, é empregado nas sondagens em solos moles (ÁVILA e CONCIANI, 2005).
Segundo Ávila e Conciani (2006) o ensaio é conhecido internacionalmente desde os anos 1950, porém é pouco difundido no Brasil, tanto que nacionalmente o ensaio ainda não é normatizado.
Dessa forma, as especificações e a metodologia de ensaio são padronizados de modo geral na Europa pelo Comité Europeén de Normalization - CEN (2005), e mais especificamente nos próprios países, pela Asociación Española de Normalización y Vertificación - AENOR (2008) na Espanha, e pela American Society for Testing and Materials - ASTM (2009) nos Estados Unidos, por exemplo.
A composição do equipamento de DPL produzido de acordo com a AENOR (2008) é mostrado na Figura 5 a seguir.
Figura 5 - Esquema do equipamento DPL Fonte: (ÁVILA e CONCIANI, 2006)
O equipamento consiste em uma ponteira cônica de diâmetro 35,7 mm com ângulo de 90º (Figura 6), acoplada a um conjunto de hastes formadas por segmentos de barras extensoras rosqueáveis, sendo as barras com 22 mm de diâmetro e as roscas com 16 mm de diâmetro. Cada segmento de haste possui 1 metro de comprimento com marcações a cada 10 cm, de modo a facilitar o registro de dados no campo. Há ainda, a cabeça de bater que receberá os golpes do martelo, de peso padronizado igual a 10 kg, com altura de queda de 50 cm.
Figura 6 - Dimensões da ponteira cônica do DPL Fonte: (PINTO, 2012)
De acordo com a AENOR (2008), o procedimento de ensaio consiste na cravação do equipamento de maneira contínua no terreno, em uma velocidade entre 15 e 30 golpes por minuto, realizando o registro do número de golpes para cada 10 cm de penetração (N10), e a medida do torque a cada 1 metro de penetração, no mínimo. Desse modo, obtêm-se o perfil de resistência do solo ao longo da
perfuração e a leitura do nível d’água através do furo deixado pela cravação do equipamento. A cravação será cessada quando o ensaio atingir os critérios de paralização, ou seja, quando ocorrer 100 golpes para a penetração de 10 cm, ou 50 golpes continuamente durante 1 metro de penetração.
O resultado inicial obtido pelo ensaio DPL são os valores de N10 em função da profundidade, que irá fornecer uma ideia inicial do comportamento do solo ao longo da profundidade (NILSSON, 2008).
Segundo a AENOR (2008), a interpretação dos resultados é feita através das equações a seguir. A energia transmitida ao cone é calculada conforme a Equação 1.
𝐸𝑡𝑒𝑜𝑟.= 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ ℎ (1)
Em que:
𝐸𝑡𝑒𝑜𝑟. = Energia teoricamente transmitida ao cone; m= massa do martelo, em kg;
g= aceleração da gravidade, em m/s²; h= altura de queda do martelo, em m.
A energia aplicada pelo martelo pode ainda ser medida por meio do acoplamento de equipamentos adequados (Emed).
A resistência de trabalho da ponta para penetrar no terreno é determinada pela Equação 2 ou 3. 𝑟𝑑 = 𝐸𝑡𝑒𝑜𝑟. 𝐴 ∗ 𝑒 (2) Ou, 𝑟𝑑 = 𝐸𝑚𝑒𝑑. 𝐴 ∗ 𝑒 (3) Em que:
𝑟𝑑 = valores de resistência de trabalho para penetração no terreno; A = área de base da ponta, em m²;
e = a penetração média, em metros por golpe.
A tensão de resistência de ponta é dada pela Equação 4.
𝑞𝑑 = ( 𝑚
Em que:
𝑞𝑑 = valores de resistência de ponta para o penetrômetro, (0,10/N10 para o DPL, DPM e DPH e 0,10/ N20 ou 0,20/N20 para o DPSH);
N10 = número de golpes necessário para a penetração de 100 mm.; N20 = número de golpes necessário para a penetração de 200 mm.; m = massa do martelo, em kg;
m’ = massa total das hastes de prolongação, da cabeça de impacto e das barras guias até a cota considerada, em kg.
A partir do acoplamento de um torquímetro na haste do equipamento, é possível a mensuração de parâmetros geotécnicos, como a resistência ao cisalhamento entre a ponteira do DPL e o solo, que é obtida através do atrito lateral (NILSSON, 2008).
Ainda segundo Nilsson (2008), os parâmetros geotécnicos podem ser obtidos através da metodologia de cálculo apresentada abaixo.
A tensão de resistência de ponta é obtida pela Equação 5.
𝑞𝑑 = 𝑟𝑑
𝐴𝑐− 𝑓 (5)
Em que:
qd = Tensão de resistência de ponta do cone (kPa); rd = Força resistente de trabalho da ponta (kN); Ac = Área da seção transversal do cone (m²); f = tensão de atrito lateral (kPa).
A força resistente de ponta do equipamento é obtida pela equação modificada por Nilsson (2008) da fórmula dinâmica de Hiley. A equação modificada é:
𝑟𝑑 = 𝑘 ∗ 𝑎 ∗ 𝑚1∗ 𝑔 ∗ ℎ 𝑆𝑝𝑙+ 𝑆𝑒𝑙 2 ∗𝑚1∗ 𝑒 2 ∗ 𝑚 2 𝑚1+ 𝑚2 (6) Em que:
rd = força resistente de ponta (kN);
k = fator de correção que representa a perda de energia do martelo em sua queda;
a = fator de correção hidráulico; m1 = massa do martelo (kg);
g = aceleração da gravidade (m/s²); h = altura de queda do martelo (m);
Spl= deslocamento plástico do equipamento no solo; Sel = deslocamento elástico do equipamento no solo; e = coeficiente do impacto.
Para a obtenção dos deslocamentos plásticos e elásticos sofrido pelo penetrômetro é necessária a utilização de extensômetros acoplados ao equipamento. Como isso nem sempre é possível, pode-se substituir o valor da média dos deslocamentos pela penetração média da ponteira por golpe de martelo (Δρ) ao longo de 10 cm de penetração, conforme Equação 7 (BASTOS, 2015).
𝑆𝑝𝑙+ 𝑆𝑒𝑙
2 = ∆𝜌 =
0,1
𝑁10 (7)
Logo, a Equação 6 pode ser reescrita:
𝑟𝑑 = 𝑘 ∗ 𝑎 ∗𝑚1∗ 𝑔 ∗ ℎ
𝛥𝜌 ∗
𝑚1∗ 𝑒2 ∗ 𝑚2
𝑚1+ 𝑚2 (8)
Apesar da fórmula dinâmica de Hiley admitir que há perda de energia associada à queda do martelo através dos fatores de correção, Nilsson (2008) não especifica os valores adotados para 𝑘 e 𝑎 inseridos por ele na fórmula (BASTOS, 2015).
De acordo com Nilsson (2008) a tensão de cisalhamento ou atrito lateral (f) que atua na ponteira do equipamento é dada pela Equação 9.
𝑓 = 𝑀
𝐴 ∗ 𝐿 (9)
Em que:
M = Torque máximo medido, obtido através do torquímetro; A = Área da superfície do cone em contato com o solo; L = Braço de alavanca.
A área da superfície do cone em contato com o solo é obtida através da equação:
𝐴 = 5 ∗ 𝜋 ∗ 𝐷²
4 (10)
Para este cálculo, tem-se que a área da superfície do cone em contado com solo é igual a aproximadamente 50 cm², porém esse valor deve ser aumentado para 60 cm², uma vez que a parte superior do cone também estará em contado com o solo (NILSSON, 2008).
Para obtenção do braço de alavanca, tem-se que a alavanca para a seção lateral e para a seção de ponta, respectivamente, é igual a:
𝐷 2 𝑒
𝐷
√2 (11)
Nilsson (2008) cita ainda que o braço de alavanca resultante pode ser aproximadamente 16 mm. Aproximando o produto A*L para 100 (cm² x cm) e convertendo para (m² x m), tem-se que:
𝑓 = 10 ∗ 𝑀 (12)
com o torque em Nm e f em kPa.
Vale ressaltar que o valor do atrito lateral (f) obtido através das equações (9) e (12) são apenas aproximações, pelo fato do autor não adotar uma formulação que leva em consideração toda a geometria da ponteira em contato com o solo, e sim adotar um braço de alavanca arbitrado (BASTOS, 2015).
Com os valores de N10, torque máximo, tensão de resistência de ponta (qd) e atrito lateral (f), pode-se obter de maneira aproximada outros parâmetros geotécnicos como: a coesão, o ângulo de atrito das camadas de solo, a consistência dos solos argilosos e a compacidade dos solos granulares (NILSSON, 2008).
Ainda segundo Nilsson (2008), o valor do atrito lateral entre a ponteira metálica e o solo (f) é menor que o valor da resistência ao cisalhamento do solo e satisfaz com segurança essa medida.
Neste contexto, valores para coesão e ângulo de atrito do solo podem ser obtidos, de modo que, se o solo é composto por mais de 40% de argila, o solo é considerado como coesivo, com c > f; se o solo é composto por mais de 75% de areia, é considerado como granular, com ângulo de atrito dominante e coesão aproximada a zero; e se o solo é saturado, a coesão e principalmente o ângulo de atrito diminuem consideravelmente. Pode-se então, determinar esses parâmetros através da fórmula de Mohr (13) ou, dependendo do cálculo, utilizar diretamente o valor da resistência ao cisalhamento (NILSSON, 2008).
𝜏𝑓𝑢 = 𝑐 + 𝜎′∗ 𝑡𝑎𝑔∅ (13) Em areias, o ângulo de atrito estimado pode ser expresso pela fórmula:
𝜑 > 𝑓
0,019 ∗ 𝜎′ (14)
Em que:
𝜑 = Ângulo de atrito do solo; σ’ = Tensão do solo;
f = Atrito lateral medido.
O valor da resistência do solo é derivada da formulação de cravação de estacas de Bolomey de 1974 (apud Nilsson 2008), a equação é:
𝑟𝑑 = 𝑀2 ∗ 𝐻
(𝑆 ∗ 𝑠 + 𝑀) ∗ 𝐴 ∗ 𝑒 (15)
Em que:
M = massa do martelo;
S = massa da barra de extensão;
s = Comprimento da haste de extensão; H = altura de queda do martelo;
A = Área da seção transversal do cone; e = média penetração/golpe.
Para DPL com dimensões padrões, a Equação 15 pode ser expressa como uma equação de segundo grau, com a carga admissível em função da penetração das hastes do equipamento:
𝑟𝑑 = (0,003 ∗ 𝑠2− 0,06 ∗ 𝑠 + 0,44)𝑁10 (MPa) (16) Utilizando o método apresentado por Huarte (s.d. apud Nilsson 2008), tem-se a tensão admissível para fundações rasas:
𝜎𝑎𝑑𝑚 = 𝑟𝑑 20
(17)
E para fundações profundas: 𝑟𝑑
12< 𝜎𝑎𝑑𝑚 < 𝑟𝑑
6 (18)
Uma outra forma de interpretação dos dados do DPL é apresentada pelo Departamento de Estradas de Rodagem do Estado de Minas Gerais (DER/MG), na
qual utiliza-se a fórmula dos holandeses “Woltmann” (Equação 19) para determinar a resistência de ruptura à ponteira do aparelho.
𝑅𝑟𝑢𝑝 = 𝑀2∗ 𝐻 ∗ 𝑁 𝑆 ∗ 𝐸 ∗ (𝑀 + 𝑛𝑝 + 𝑃)
(19)
Em que:
Rrup = Resistência à ruptura dinâmica; H = Altura de queda do martelo; M = Massa do martelo;
S = Seção da ponteira;
P = Peso total do conjunto fixo do penetrômetro;
E = Espessura do segmento de hastes cravada igual a 0,20 m; n = Número de hastes utilizadas;
N = Número de golpes necessários para cravar 0,20 m de hastes; p = Peso da haste de 1,00 m.
Para transformar esforços dinâmicos em estáticos deve-se utilizar um coeficiente (α) de acordo com o tipo de solo. A Equação 20 apresenta essa conversão de esforços.
𝑅𝐸 = ∝ ∗ 𝑅𝐷 (20)
Em que:
RE = Ruptura estática;
∝ = 1,00 – areia grossa e cascalho, medianamente compacto; ∝ = 0,75 – solos arenosos de fofo a muito compacto;
∝ = 0,50 – solos argilosos de consistência média a rija; ∝ = 0,30 – argila mole.
No cálculo da carga admissível do solo (σ), obtida pela Equação 21, adota-se um coeficiente de segurança (β) igual a 1/5 ou 1/10 ou 1/20 (DER/MG, 2013).
𝜎 = 𝛽 ∗ 𝑅𝐸 (21)
Para facilitar a interpretação direta dos valores obtidos pelo DPL (N10), Nilsson (2008) desenvolveu uma tabela (Tabela 1) na qual pode-se determinar a compacidade de solos granulares. A norma Alemã DIM 4094, apresenta uma
mesma tabela (Tabela 2), porém para obtenção da consistência coesiva de solos não-saturados, com índice de plasticidade sob valor médio.
Tabela 1 - Compacidade de solos granulares avaliados a partir do DPL Golpes N10 Compacidade < 1 Muito solto < 7 Solto 7 – 83 Medianamente solto > 83 Compacto Fonte: Adaptado de Nilsson (2008)
Tabela 2 - Consistência de solos finos avaliados a partir do DPL Golpes N10 Consistência < 3 Muito mole 3 - 6 Mole 6 -12 Medianamente mole 13 – 22 Duro 23 – 45 > 45 Muito duro Rígido
Fonte: Adaptado DIM (1991 apud Nilsson, 2008)
Nilsson (2008) ressalta ainda que, em projetos geotécnicos, deve-se ter uma atenção especial para solos com N10 < 7, pois são solos moles e normalmente precisam ser reforçados. Solos com N10 maior que 80 golpes são considerados solos de alta resistência. Solos com N10 de 3 a 25 golpes são normalmente fáceis de escavar. Nilsson (2004a) recomenda que o ensaio de DPL seja utilizado em solos com baixa resistência, com NSPT < 4.
Alves Filho (2010) apresenta algumas vantagens do ensaio DPL, como praticidade, baixo custo operacional e de equipamento, uma vez que, para a sondagem é necessário apenas um sondador auxiliado por um operário e o equipamento tem dimensões reduzidas, o que facilita a sua locomoção e utilização em regiões de difícil acesso. Além disso, o equipamento apresenta boa produtividade e custos inferiores ao SPT.
Corrêa (s.d. apud Pinto, 2012) cita como algumas limitações para sondagem com o equipamento DPL, o baixo alcance (12 m) e a resistência do cone (10 MPa com o cone de 10 cm²).
6 METODOLOGIA
6.1 LOCAL
O local de estudo deste projeto de pesquisa é a área urbana do município de Lucas do Rio Verde – MT, que atualmente possui aproximadamente 33 km² de extensão (Figura 7).
Figura 7 - Perímetro urbano de Lucas do Rio Verde Fonte: Secretaria de Infraestrutura e obra de LRV, 2016
Lucas do Rio Verde pertence, segundo o mapa de domínios téctono-estratigráficos (CPRM, 2004), a Bacia do Parecis, sendo o subsolo composto basicamente por rochas sedimentares depositadas na era Cenozoico, Mesozoico e Paleozoico (entre 542 e 1,8 milhões de anos). O solo das camadas superficiais é caracterizado, de acordo com o mapa de solos de Mato Grosso (IBGE, 2009), como Latossolo Vermelho-Amarelo distrófico, apresentando solo com baixa capacidade de carga.
6.2 MATERIAIS
6.2.1 Penetrômetro Dinâmico Leve - DPL
Para o ensaio de DPL com torque será utilizado o equipamento existente no Laboratório de Engenharia Civil do Curso de Engenharia Civil da Universidade do
Estado de Mato Grosso – UNEMAT, Campus de Sinop, desenvolvido pelo engenheiro civil Thiago Pereira Pinto e elaborado de acordo com a AENOR (2008).
O instrumento (Figura 8) consiste em uma ponteira cônica de 35,7 mm de diâmetro com ângulo de 90°, acoplada a um conjunto de hastes metálicas ajustáveis por meio de rosca, sendo cada haste de 1 metro de comprimento com marcações a cada 10 cm (Figura 9a), de modo a facilitar o registro de dados no campo. Há ainda, a cabeça de bater que receberá os golpes do martelo, de massa padronizada igual a 10 kg, com altura de queda de 50 cm (Figura 9b).
Figura 8 - Aparelho de DPL e acessórios Fonte: (PINTO, 2012)
a) Barra extensora b) Barra com cabeça de bater e martelo Figura 9 - Detalhe do equipamento
A Tabela 3 apresenta as partes que compõe o equipamento DPL, suas dimensões e suas respectivas massas.
Tabela 3 - Características do equipamento
Peças Comprimento (m) Massa (kg)
Barra 1 – com ponteira 1,18 3,73
Barras de extensão – 2 a 7 1,00 2,95
Barra 8 – com cabeça de bater 1,20 3,94
Martelo de bater 0,10 10,00
Fonte: (PINTO, 2012)
Além do equipamento DPL, será utilizado um guincho manual para facilitar a extração das barras confinadas no solo (Figura 10).
Figura 10 - Guincho manual para extração das barras Fonte: (PINTO, 2012)
6.2.2 Torquímetro
Será utilizado um torquímetro de relógio (Figura 11), com possibilidade de medidas nominais de até 70 Nm e resolução de 2 Nm. Possui duas agulhas, sendo uma sem mola, que é usada para a marcação do torque máximo.
Figura 11 - Torquímetro Fonte: lojadotorquimetro.com.br
6.3 MÉTODOS
6.3.1 Levantamento topográfico, geológico e geotécnico
Para criar um banco de dados e melhor entender o comportamento do subsolo da área urbana de Lucas do Rio Verde, será realizado o levantamento de dados geológicos, geotécnicos e topográficos.
Os dados geológicos serão obtidos através da análise dos relatórios de perfuração de poços dos municípios de Nova Mutum, Lucas do Rio Verde, Sorriso e Sinop, fornecidos pelas empresas responsáveis pelo abastecimento de água da região. Essas cidades pertencem a Bacia do Parecis e apresentam uma mesma formação geológica, logo, devem conter características das camadas do subsolo semelhantes.
Os dados geotécnicos serão obtidos através da análise de relatórios de sondagens de simples reconhecimento com ensaio SPT da área urbana de Lucas do Rio Verde, fornecidos por empresas que realizam esse tipo de sondagem na região.
Por fim, será realizado o levantamento topográfico por meio da ferramenta SIG e imagens SRTM, de modo a obter a altimetria do terreno.
Dessa forma, com auxílio de um software geoestatístico, será criado um mapa associando o perfil altimétrico de toda a área urbana, os dados geotécnicos e geológicos, como a espessura das camadas, o tipo de solo encontrado e o nível de água, conforme especificado em cada um dos pontos de sondagem SPT, obtendo-se assim, por meio de isocurvas, um perfil geotécnico básico do terreno de até 30 metros de profundidade.
Além do levantamento de dados existentes, serão realizados ensaios DPL para complementar as informações obtidas.
6.3.2 Ensaio DPL com torque
A sondagem com o equipamento DPL será executada conforme preconizada pela AENOR (2008): sobre uma superfície nivelada, a ponteira com haste será posicionada, aprumada e nivelada. O conjunto formado pela haste-guia e a cabeça de bater será rosqueada sobre a primeira haste, depois o martelo de massa de 10 kg será inserido na haste-guia e posicionado a uma altura de 0,50 metros de onde será liberado em queda livre, iniciado a sequência de golpes sobre a cabeça de bater.
A sequência de golpes ocorre quantas vezes forem necessários para que a ponteira com a haste seja cravada 10 cm no solo. Essa profundidade de cravação é observada através das marcações presentes nas hastes, de 10 em 10 cm. Registra-se em uma planilha de campo o número de golpes necessários para a cravação de 10 cm (N10) do aparelho no solo.
Esse procedimento é repetido várias vezes até que a parte inferior da cabeça de bater esteja a 10 cm da superfície. Quando isso ocorrer, o martelo é removido e o conjunto haste-guia e cabeça de bater é desrosqueado e retirado do sistema, permitindo que o torquímetro seja acoplado no topo da haste, e a medida do torque máximo e residual entre a ponteira e solo sejam mensurados e registrados.
No ensaio do torque, antes de inicia-lo deve-se verificar se o ponteiro está na posição zero da escala, caso não esteja é necessário ajustá-lo. O torquímetro deve ser girado lentamente na mesma direção de aperto das conexões das hastes.
O torquímetro é retirado e uma nova haste é acrescentada, sobre ela é rosqueada o conjunto haste-guia e cabeça de bater e o martelo, de modo que o ciclo de cravação do equipamento no solo se reinicie.
A cravação será cessada quando o ensaio atingir os critérios de paralização, ou seja, quando ocorrer 100 golpes para a penetração de 10 cm, 50 golpes continuamente durante 1 metro de penetração, ou ainda, quando atingir a profundidade de 7 metros, limite de sondagem para o equipamento que será utilizado.
Ao término do ensaio e com auxílio do extrator (guincho manual) a ponteira e as hastes cravadas no solo serão retiradas, sendo possível identificar o nível d’ água no subsolo e registra-lo na planilha.
O ensaio será realizado em, no mínimo, 8 pontos na área urbana de Lucas do Rio Verde, que serão determinados de acordo com o perfil geotécnico básico que terá sido elaborado com os dados topográficos, geológicos e geotécnicos obtidos. O critério de escolha destes pontos serão os locais geotecnicamente relevantes, ou seja, áreas que apresentarem solo de resistência relativamente mais alta ou mais baixa, indicando um diferencial com relação aos demais pontos.
6.3.3 Parâmetros geotécnicos
Com os dados do ensaio de DPL obtém-se 3 tipos de gráficos (Figura 12): número de golpes (N10) versus profundidade; atrito lateral (f) versus profundidade; e
por fim tensão de resistência de ponta versus profundidade, a partir dos quais, podem-se fazer correlações com os parâmetros geotécnicos de interesse.
a) Gráfico 1 b) Gráfico 2 c) Gráfico 3 Figura 12 - Gráficos obtidos com o ensaio DPL
Fonte: (NILSSON, 2008)
O gráfico número de golpes (N10) versus profundidade (Figura 12a), será elaborado utilizado os dados do ensaio provenientes diretamente da planilha de campo.
Já o gráfico atrito lateral (f) versus profundidade (Figura 12b), terá seus valores de atrito lateral obtido por meio da equação (12). O valor do atrito lateral está em função do momento resistente entre o aparelho e o solo medido em campo por meio do torquímetro.
Por fim, no gráfico tensão de resistência de ponta versus profundidade (Figura 12c), para a obtenção dos valores de resistência de ponta será utilizada a metodologia de cálculo proposta pela AENOR (2008), utilizando as equações (1), (2) e (3), respectivamente.
Além dos resultados gráficos, será realizada a interpretação direta dos valores (N10) por meio das Tabelas 1 e 2, de modo a obter a compacidade dos solos granulares e a consistência dos solos finos em cada furo de sondagem.
Um último parâmetro a ser obtido será o ângulo de atrito do solo, por meio das equações (13) e (14).
6.3.4 Confecção do mapa do perfil geotécnico do subsolo
No perfil geotécnico básico do terreno, feito anteriormente, os dados do ensaio de DPL e os parâmetros calculados serão analisados e anexados ao perfil, formando assim uma primeira aproximação do perfil geotécnico do subsolo da área urbana de Lucas do Rio Verde.
O mapa geotécnico irá conter informações sobre o tipo de solo, a classe de resistência, a espessura das camadas até a profundidade de 7 metros, com base nos dados do DPL e SPT, e entre as profundidades de 7 metros a 30 metros, as informações serão somente com base nos dados do SPT. Além disso, será possível analisar o comportamento do nível de água em relação à topografia e a sua profundidade de ocorrência.
Para uma melhor visualização dos resultados, a apresentação dos dados se dará por meio de 3 mapas geotécnicos, o primeiro da camada superficial de profundidade 0 até 3,5 metros e o segundo de uma camada intermediária de profundidade 3,5 até 7 metros. O terceiro mapa geotécnico terá como base somente os dados da sondagem SPT, nas profundidades de 7 a 30 metros. Os mapas conterão ainda informações com relação ao zoneamento do município, ou seja, se a área é comercial, industrial ou residencial.
A Figura 13 apresenta um exemplo de como deve ser a configuração do mapa geotécnico que será elaborado.
Figura 13 - Exemplo de mapa geotécnico Fonte: (SILVA, 2008)
7 RECURSOS MATERIAIS
Os equipamentos que serão utilizados para a obtenção de dados neste projeto de pesquisa serão os existentes no Laboratório de Engenharia Civil do Curso de Engenharia Civil da Universidade do Estado de Mato Grosso – UNEMAT, Campus de Sinop. Os equipamentos disponíveis são: o aparelho DPL e o guincho manual para a extração de hastes.
8 CRONOGRAMA
A Tabela 4 apresenta o cronograma das atividades a serem realizadas ao longo do Projeto de Pesquisa.
Tabela 4 - Cronograma das atividades
ATIVIDADES
2017
ABR MAI JUN JUL SET OUT NOV DEZ Revisão bibliográfica
complementar
Coleta de dados de ensaios SPT disponíveis
Realização dos ensaios DPL Análise de dados
Redação do Artigo Científico Apresentação do Artigo Científico em banca
9 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO
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