Influência da Geometria da Ponta do Penetrômetro Dinâmico
Leve -DPL na Resistência à Penetração e no Atrito Mobilizado.
Nélio José Bastos
FEB-UNESP, Bauru, Brasil, [email protected]
George de Paula Bernardes
FEG-UNESP, Guaratinguetá, Brasil, [email protected]
Dalmir Augusto Paiva dos Santos Pereira
FEG-UNESP, Guaratinguetá, Brasil, [email protected]
RESUMO: O penetrômetro dinâmico leve (Dynamic Probe Light-DPL) é um método de
investigação geotécnica ainda em fase de implementação e estudo no Brasil. O ensaio consiste em
medir o número de golpes para cravar uma ponteira com ângulo de ápice de 90º através da aplicação
uma energia potencial de 50 J. Os registros são realizados para cada 10 cm de penetração
conhecidos por (N10). Para cada metro de profundidade é realizada, também, a medida do torque da
ponteira. Esse trabalho investigou a influência de ponteiras com ângulos diferentes nos valores de
N10 e apresenta uma equação para calcular o atrito mobilizado em função do torque, considerando
separadamente a parcela referente ao cilindro e ao cone. Os resultados indicaram pouca variação de
N10 com a diminuição do ângulo da ponteira. Por outro lado, ocorreu um pequeno aumento no valor
do troque em função do aumento da área lateral do cone e os valores de atrito mobilizado calculados
foram semelhantes..
PALAVRAS-CHAVE: resistência à penetração, torque, atrito, ponteiras.
1
INTRODUÇÃO
As propriedades geomecânicas do solo são
dados imprescindíveis na elaboração e execução
de um projeto de engenharia geotécnica. Para
isso, diversos métodos são comumente
utilizados na prática tais como: o ensaio à
percussão (SPT), ensaio de cone (CPT), ensaio
Pressiômetro (PMT) e ensaio Dilatômetro
(DMT), entre outros. Cada tipo de equipamento
vai apresentar vantagens e desvantagens em
função da geologia, das condições de acesso e
área de montagem e trabalho. O Penetrômetro
Dinâmico Leve – DPL (Nilsson, 2001), é um
equipamento leve e simples o qual apresenta
grande mobilidade, permitindo realizar ensaios
em regiões de difícil acesso, como relevo
acidentado, florestas e áreas inundadas. Esse
equipamento é pouco difundido no Brasil e a
interpretação dos seus resultados ainda
encontra-se em fase preliminar de estudo. O
DPL apresenta um ângulo de ápice de 90° o
qual é diferente dos equipamentos comumente
utilizados na Suécia os quais utilizam ponteiras
com ângulo de 60°.
Esse trabalho procurou investigar qual a
influência dos diferentes ângulos de ápice das
ponteiras do DPL na resistência à penetração e
no valor de torque através de ensaios
executados no laboratório e no campo.
Foram utilizadas ponteiras com ângulos de
ápice de 30º, 60º, 90° e, 180º.
2
O
PENETRÔMETRO
LEVE – DPL
DINÂMICO
Segundo Hashmat (2000), as sondagens
dinâmicas surgiram na Europa no período entre
as duas Guerras Mundiais e, após 1945, foram
difundidas dentro e fora da Europa.
Os ensaios e os equipamentos utilizados são
padronizados pela norma alemã DIN 4094-3,
pelo ISSMFE (1989) e mais recentemente pela
European Standard EN ISO 22476-2:2005. Os
ensaios e equipamentos são classificados de
acordo com a massa do martelo utilizado, sendo
o DPL o mais leve deles.
No Brasil estas sondagens não são
difundidas, principalmente frente ao SPT e ao
CPT, carecem de padronização pela ABNT e de
estudos que considerem nossos solos.
O DPL Nilsson® (Dynamic Probe Light) é
um equipamento leve, e portátil que foi
introduzido no Brasil em 2001. Esse
equipamento atende em parte as normas da
ISSMFE (1989), da European Standard EN
22476-2:2005 e da DIN 4094-3, devido à versão
introduzida no Brasil apresentar algumas
modificações.
As principais modificações frente ao
equipamento europeu, segundo Nilsson (2001),
visaram tornar o equipamento portátil, com
peso reduzido, de modo a caber em duas caixas
transportadoras, que por sua vez podem ser
acondicionadas no porta-malas de um carro.
Cada caixa pode ser transportada por duas
pessoas facilitando sua mobilidade. Uma
importante inovação consiste na medida do
atrito lateral da ponteira através do uso de um
torquímetro semelhante ao utilizado no SPT-T.
O equipamento é capaz de determinar “insitu” a resistência do solo à penetração de uma
ponteira metálica com ângulo de ápice de 90° e
área projetada de 10cm2, através do impacto de
um martelo de 10kg caindo de uma altura de
50cm.
Este conjunto é cravado no solo através de
sucessivas quedas do martelo sobre o batente,
fornecendo uma energia potencial de cravação
de 50J por golpe.
Define-se por N10 o número de golpes
necessários à cravação da ponteira em 10cm no
solo, utilizando-se como referência as marcas
presentes nas hastes.
Como diferencial em relação ao equipamento
europeu, a operação do DPL Nilsson® prevê
uma medida de torque máximo (MMAX) e outra
de torque residual (MRES) a cada metro de
penetração da ponteira, medidos antes de se
acoplar uma nova haste ao sistema.
3
MATERIAIS E MÉTODO
Os ensaios visando avaliar a influência da
geometria da ponta do equipamento DPL
Nilsson®, tiveram uma parte executada no
laboratório e uma parte executada no campo. As
quatro ponteiras fabricadas, com os ângulos de
ápice de 180° (a), 90° (b), 60° (c) e 30° (d) são
apresentadas na Figura 1. Na Tabela 1 são
fornecidas as características das ponteiras sendo
que, as quatro ponteiras apresentam a mesma
área lateral de 40,83cm2 e área projetada de
10cm2, igual ao do cone do CPT. Devido ao
ângulo de ápice, as áreas da superfície do cone
são diferentes.
Figura 1. Ponteiras do DPL utilizadas nos ensaios.
Tabela 1. Características das ponteiras.
Massa Volume
Área do
(g)
(cm3)
Cone
(cm2)
30o 628,9
60
o
90
o
180
o
Área
Lateral
(cm2)
22,4
38,00
40,83
545,0
10,1
17,64
40,83
555,0
6,0
10,18
40,83
522,6
0,0
0,00
40,83
3.1 Ensaios de penetração “quasi” estática no
laboratório
Os ensaios de penetração “quasi” estáticos
foram realizados utilizando uma prensa Triaxial
T400 da ETI de 50kN de capacidade de carga e
anel de carga de 3kN.
O solo foi preparado, segundo a NBR
6457/1986, e depositado no interior de um
cilindro de PVC com diâmetro interno de
24,5cm e altura de 25,14cm. A montagem da
amostra de solo foi feita lançando o solo, seco
ao ar, em sete camadas de 3cm de espessura,
cada uma delas com massa de 2235g e
compactada através de quedas sucessivas de um
soquete de madeira com massa de 140g, caindo
de uma altura de 1cm, até completar uma altura
de 21cm de solo no interior do cilindro.
Procurou-se garantir que o solo compactado
tivesse o peso específico médio de 14kN/m3.
Na Tabela 2 podemos observar os dados
relativos ao solo utilizado.
DPL foram realizados na crista de um talude
localizado na Faculdade de Engenharia do
Campus de Guaratinguetá (UNESP). Existe um
muro há aproximadamente 5m de distância da
beira da crista, Figura 3 (A).
Tabela 2. Caracterização do solo utilizado em laboratório.
Areia Silte Argila
γ
e
η
s
(%) (%) (%) (kN/m3)
(%) (%)
Solo 45
24
33
14
1,08 50 4
As ponteiras foram fixadas a uma haste
metálica e posicionadas na superfície do solo.
Nesse instante, foram medidas as penetrações
iniciais devidas ao peso próprio das mesmas.
Em seguida, este arranjo foi fixado ao anel de
carga da prensa, Figura 2, e o ensaio iniciava
com uma velocidade de penetração de
2,5mm/min. Durante o ensaio eram registrados
o deslocamento vertical e a reação no anel de
carga. Quando a penetração da ponteira atingia
o valor igual ao segmento de haste, o ensaio era
interrompido e um novo segmento de haste era
adicionado dando continuidade ao ensaio.
Figura 2. Arranjo experimental.
Foram realizados dois ensaios com as
ponteiras com ângulos de 90º e 180º e três
ensaios com as ponteiras de 30º e 60º para
confirmação da repetibilidade dos resultados.
3.2
Ensaios de penetração dinâmica no campo
Os ensaios de penetração dinâmica utilizando o
Figura 3. Local de ensaio e disposição das sondagens.
Foi realizado um furo a trado até a cota de
1,8m de profundidade visando à determinação
da umidade a cada 20cm de profundidade. Foi
constatado que até a cota de 80cm de
profundidade havia a presença de raízes e
pedregulhos isolados. Abaixo da cota de 1,2m o
solo apresentava-se como um colúvio maduro
de coloração amarelada, apresentando 55% de
finos, limite de liquidez de 60%, limite de
plasticidade de 30%, classificado pelo Sistema
Único de Classificação de Solos como CH(SP).
A umidade na camada superficial era de
15,7%, e após a cota de 1,4m de profundidade
era sempre em torno de 20,0%. Cabe notar que
estes ensaios foram realizados no final de
janeiro de 2014, após mais de 20 dias de
ausência de chuvas.
Os ensaios foram realizados em linhas
paralelas ao muro, com os furos distanciados de
1,5m entre si, e estes foram limitados a 3,0
metros de profundidade. O esquema da
localização dos ensaios pode ser visto na Figura
3 (B).
Um pré-furo foi executado com um trado de
5,0cm de diâmetro até uma profundidade
suficiente para o posicionamento da ponteira já
conectada à primeira haste. Isso permitia a
fixação da plataforma circular metálica na
superfície do terreno a qual foi utilizada como
referencial para a contagem do número de
golpes necessários para a penetração de 10,0cm
da ponteira no solo (N10) e leitura da penetração
em certos golpes utilizando uma mira lazer com
precisão de 1mm. A penetração era determinada
pela diferença de altura entre o referencial e a
cabeça de bater antes (Li) e depois (Lf) do golpe.
Os acessórios do equipamento (Figura 4) são
compostos pelas ponteiras, hastes, cabeça de
bater, coxim (borracha com 3mm de espessura),
haste guia e do martelo (10kg). Um nível de
bolha foi utilizado para garantir a verticalidade
do sistema. Para garantir uma altura de queda
constante, com uma energia potencial inicial de
50J por golpe, foi empregada uma braçadeira
metálica fixada firmemente na marca de 50cm
da parte superior da haste guia.
7,0kgf.m e resolução de 0,2kgf.m, em
conformidade com a NBR 6789:2009.
Em seguida, o sistema era remontado e uma
nova sequência de duas penetrações com 10cm
era executada, repetindo assim o ciclo anterior.
Sempre que necessário, uma nova haste era
acoplada ao sistema. Os ensaios foram
executados até 3m de profundidade.
Em nenhuma sondagem foi constatada a
presença de água, e na parte superior das
ponteiras sempre era notada a presença de solo
coluvial, amarelado, e ligeiramente úmido.
3.3 Interpretação do ensaio de torque e
respectiva tensão de cisalhamento mobilizada
Segundo Nilsson (2008), a tensão cisalhante ou
tensão de atrito lateral f pode ser calculada
pela Eq. (1), onde M é o torque máximo
medido, A é a área lateral total da ponteira
(área da parte cônica somada à área da parte
cilíndrica) e
é um braço de alavanca de
aproximado de 16mm devido ao fato da
ponteira ter uma parte cilíndrica e outra cônica.
f 
Figura 4. Acessórios do equipamento.
Os ensaios foram executados considerando
duas sequências de valores de N10. Na primeira
sequência, foi contado o número de golpes até a
penetração de aproximadas de 10cm e
registrado o valor de N10.
Na
segunda
sequência, além do N10 foi medido também os
deslocamentos (Li-Lf) dos três últimos golpes
para completar os 10cm.
Após as duas sequencias de N10 (penetração
de 20cm), a parte superior formada pela cabeça
de bater, martelo, coxim e haste-guia era
desaparafusado do sistema, tomando o cuidado
para que esta operação não rotacionasse a haste
com a ponteira.
Um torquímetro era acoplado à haste e
realizado as medidas do torque máximo e do
torque residual. O torquímetro utilizado foi da
marca TorkFort, com capacidade nominal de
M
A
(1)
Porém, considerando as contribuições
específicas da parte cilíndrica e da parte cônica
da ponteira para o torque medido, este pode ser
dado pela Eq. (2).
M  M cil  M cone
(2)
onde M cil é a contribuição de torque devido
à parte cilíndrica da ponteira e M cone é a
contribuição de torque devido a parte cônica da
ponteira.
Segundo Schnaid e Odebrecht (2012), a
parcela do torque mobilizado em uma superfície
vertical cilíndirca, supondo uma distribuição
uniforme de tensões é dada pela Eq.(3).
M cil    D  h  f  D / 2
(3)
onde D é o diâmetro do cilindro, h sua
altura e, f a tensão cisalhante. Considerando
que   D  h corresponde à área lateral do
cilindro Acil e D / 2 corresponde ao raio do
cilindro r0 , a Eq. (3) pode ser reescrita
conforme a Eq. (4).
M cil  Acil  f  r0
(4)
Santos Jr (2014) apresenta uma formulação
para torque de embreagens cônicas, cujo
desenvolvimento para a superfície cônica da
ponteira resulta na Eq. (5).
M cone 
2  f  Acone  r0
3  sen  
(5)
onde Acone é a área lateral da superfície
cônica da ponteira e  é a metade do ângulo de
ápice do cone.
Substituindo as Eq. (4) e Eq. (5) na Eq. (2)
chegamos a Eq. (6), para a determinação da
tensão cisalhante da ponteira, em função do
torque medido.
f 
4
M
2  f  Acone  r0
 Acil  r0
3  sen  
(6)
ANÁLISE DOS RESULTADOS
4.1 Ensaios de penetração “quasi” estática no
laboratório
A Figura 5 apresenta o gráfico dos resultados
experimentais dos ensaios de penetração,
realizados no laboratório, para as 4 ponteiras.
Figura 5. Resistência versus penetração das ponteiras em
ensaio “quasi” estático.
As diferenças de deslocamentos no trecho
inicial das curvas se devem à penetração
ocorrida devido ao peso próprio das ponteiras
ao serem colocadas na superfície da amostra. Os
comportamentos das ponteiras com ângulos de
ápice de 60º (B) e 90º (C) apresentam uma
ligeira diferença na parte da penetração do cone,
mas se sobrepõe no restante dos ensaios.
A ponteira com ângulo de ápice de 30º (A)
exigiu menor aumento de força para maior
incremento de penetração da parte cônica,
enquanto a ponteira de 180º (D) foi a que exigiu
maior incremento de força para a penetração
inicial. Este ganho de resistência pode ser
associado à formação de uma cunha de solo
compactado abaixo da ponteira (Figura 6).
Observa-se que após a penetração das partes
cônicas das ponteiras no solo, o incremento de
força dá-se unicamente pelo atrito lateral da
parte cilíndrica destas. Essa constatação é
caracterizada pela taxa de incremento de carga
ser semelhante para as quatro ponteiras, fato
que pode ser notado pelo aparente paralelismo
entre as curvas que ocorre a partir da aplicação
de uma força de 400N.
Após a realização dos ensaios, o solo ao
redor das ponteiras era retirado cuidadosamente,
e sempre foi verificada a formação de uma
cunha de solo compactada (cunha ativa) em
contato com a ponteira (Figura 6) independente
do ângulo da ponteira. Observou-se que as
cunhas formadas abaixo da ponteira de 180°
eram um pouco maiores e mais densificadas,
enquanto que as formadas abaixo da ponteira de
30° eram um pouco menores e mais friáveis.
Figura 6. Princípio de formação de cunha abaixo criada
abaixo da ponteira de 60º retirada do solo confinado.
4.2
Ensaios de penetração dinâmica no campo
Considerando que as ponteiras têm um diâmetro
de 3,6cm, podemos estabelecer a profundidade
crítica de 72cm (Vésic, 1967; apud Poulos e
Davis, 1980), abaixo da qual os efeitos de
superfície não são mais sentidos além disso, até
a cota aproximada de 80cm existiam raízes e
pedregulhos isolados, que podem influenciar as
medições e consequentemente dificultar a
análise dos resultados.
4.2.1 Comportamento do N10
Conforme se observa na Figura 7, não há
diferenças significativas com relação ao N10
para as diferentes ponteiras, principalmente
abaixo da cota de 0,8m.
uma cunha cônica de solo abaixo de sua base, o
que explica que esta ponteira tenha basicamente
a mesma resistência à penetração que as demais.
Observa-se também que nas camadas mais
superficiais do subsolo, o comportamento de
N10 é basicamente o mesmo e a variabilidade
encontrada pode ser explicada justamente pela
heterogeneidade existente.
4.2.2 Comportamento do torque máximo
O valor do torque máximo medido em função
da profundidade é apresentado na Figura 8.
Observa-se que o comportamento do torque
das ponteiras se diferencia de acordo com o
ângulo do ápice.
Figura 8. Gráfico do torque máximo em função da
profundidade corrigida da ponteira.
Figura 7. Gráfico de N10 em função da profundidade
aparente.
As áreas projetadas das ponteiras são iguais,
portanto é pertinente supor que a resistência de
ponta será a mesma para todas.
As áreas laterais das partes cilíndricas das
ponteiras são iguais (Tabela 1), assim, pode-se
supor que as ponteiras tenham também a mesma
resistência lateral devido à parte cilíndrica.
A ponteira de 180° apesar de não possuir um
cone metálico real em sua parte inferior, forma
Na maioria dos casos, os menores valores de
torque são obtidos pela ponteira de 180°, e os
maiores pela ponteira de 30°, enquanto as
ponteiras de 60° e de 90° apresentam
comportamentos similares.
Considerando a área lateral total das
ponteiras, dada pela soma da área da parte
cônica com a área lateral da parte cilíndrica
(Tabela 1) fica evidente que a ponteira de 180°
possui menor área lateral e, portanto, ao ser
rotacionada exigirá um torque menor, enquanto
a ponteira de 30°, por ter maior área lateral,
exigirá maior torque.
4.2.3 Comportamento do torque máximo
A Figura 9 apresenta o gráfico das tensões
cisalhantes obtidas para as quatro ponteiras
analisadas segundo a Eq. (6).
Figura 9. Gráfico da tensão cisalhante em função da
profundidade corrigida da ponteira.
Nota-se que para uma profundidade z maior
que 80cm, verifica-se um valor médio
representativo da tensão cisalhante entre o solo
e a ponteira metálica de 36,5 kPa,.
Novamente observa-se que para a maioria
das profundidades, os valores obtidos para a
tensão cisalhante das ponteiras de 30° são os
maiores, enquanto os obtidos para a ponteira de
180°, são os menores. Já os valores de tensão
cisalhante calculadss para as ponteiras de 60° e
90° são bem próximos.
5
CONCLUSÕES
O presente trabalho avaliou a influência do
ângulo de ponteiras do DPL na resistência a
penetração, no número de golpes (N10) e no
valor do torque.
Nos ensaios realizados no laboratório,
verificou-se uma maior penetração inicial
devido ao peso próprio da ponteira de menor
ângulo e foi observado um menor incremento
de carga para penetrar o cone na amostra. Para
maiores profundidades a relação carga
deslocamento foi praticamente constante para as
quatro ponteiras analisadas. Os valores
encontrados para as ponteiras de 60° e de 90°
foram muito próximos,
Os ensaios executados no campo indicaram
pouca variação no valor de N10 ao longo dos
três primeiros metros de profundidade. Por
outro lado o valor do torque medido aumenta
com a diminuição do ângulo do cone devido ao
aumento da área lateral. Porém, observou-se
que para as ponteiras de 60° e de 90° a
diferença não foi significativa.
A utilização da Eq. (6), separando a parcela
do cilindro e do cone, mostrou ser adequada
uma vez que os valores de atrito mobilizado
com a profundidade apresentaram resultados
bem próximos.
O equipamento encontra-se em fase de
montagem da haste instrumentada, célula de
carga e acelerômetros, visando medir a onda de
compressão transmitida ao sistema. Isso
permitirá o cálculo da real energia que chega a
ponteira a qual vai realizar o trabalho de
penetração (1/ N10).
AGRADECIMENTOS
Ao CNPq Pronex, Projeto Geotecnia Ambiental
PUC-Rio pela aquisição do equipamento DPL.
À CAPES pela bolsa de mestrado do 1° autor
e ao CNPq pela bolsa PIBIC do terceiro autor.
REFERÊNCIAS
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de caracterização. Rio de Janeiro. 9 p..
ABNT. (2009) NBR 6789: Ferramentas de montagem de
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Hashmat, A. (2000) Correlation of static Cone
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Disponivel
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Nilsson, T. U. (2008) Parameter approach from DPL
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Characterization. London: Taylor & Francis Group.
p. 1415-1418.
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Design. New York: John Wiley & Sons. 397 p.
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Schnaid, F.; Odebrecht, E. (2012) Ensaios de Campo e
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