Medidas da Eficiência do Ensaio SPT em Areia Através de Provas
de Carga Estática no Amostrador Padrão (PCESPT)
Yuri D. J. Costa
Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, [email protected]
João P. da S. Costa
Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, [email protected]
Avelino L. da Silva Jr.
Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, [email protected]
RESUMO: O presente artigo trata da determinação da eficiência de sondagens a percussão do tipo
SPT através de provas de carga estática executadas no amostrador do ensaio (PCESPT). Foram
realizadas três provas de carga em dois conjuntos distintos de equipamentos de sondagem SPT,
totalizando seis ensaios. Um dos conjuntos possuía sistema de acionamento do martelo do tipo
cathead e o outro, manual. Cinco provas de carga foram efetuadas com carga mantida constante e
uma prova de carga foi executada com taxa de penetração constante (CRP). Os ensaios foram
conduzidos em profundidades variando de 2 a 5 m, em um depósito de areia fina, uniforme. Os
resultados revelaram ausência quase completa de recuperação elástica dos deslocamentos do
amostrador após o descarregamento. Isso significa que praticamente toda a energia de deformação
transformou-se em trabalho de forças não conservativas. A eficiência do sistema no topo do
amostrador foi determinada através do trabalho realizado pelas forças não conservativas nas provas
de carga estática, medido a partir da curva carga-recalque do ensaio. Foram medidas eficiências
entre 72% e 89% da energia potencial teórica, de 474 J, sendo os maiores valores obtidos para o
conjunto com sistema de acionamento do tipo cathead.
PALAVRAS-CHAVE: Ensaio SPT, Prova de Carga Estática, Eficiência, Energia, Areia.
1
INTRODUÇÃO
O Standard Penetration Test (SPT) é um dos
ensaios geotécnicos de campo mais difundidos e
utilizados no mundo. Vários países possuem há
décadas normalização específica para o ensaio,
sendo no Brasil em vigência a NBR 6484
(2001).
Contudo, mesmo seguindo-se rigorosamente
a norma, uma sondagem SPT é sujeita a
diversos fatores que podem influenciar seus
resultados. Tais fatores são inerentes às
condições de uso dos equipamentos, à equipe
executora e aos procedimentos seguidos
(Belincanta, 1994). Mesmo se a variabilidade
natural do solo pudesse ser desconsiderada,
duas equipes distintas executando ensaios SPT
em uma mesma camada poderiam chegar a
valores de índices de resistência à penetração
NSPT divergentes por conta de influências acima
mencionadas. Isto ocorre porque o NSPT
depende da energia transmitida ao sistema
amostrador-solo.
A medição da eficiência do ensaio representa
uma maneira de levar em consideração as
influências nos resultados de uma sondagem
SPT. São diversos os trabalhos que abordam o
assunto, como, por exemplo, Kovacs (1979);
Schmertmann e Palacios (1979); Kovacs e
Salomone
(1982);
Belincanta
(1985);
Belincanta (1998) e Cavalcante (2002).
Tradicionalmente, a eficiência do SPT (η)
tem sido definida como (Schmertman e
Palacios, 1979; ASTM D4633, 2010):
T
η = a × 100(%)
T*
(1)
em que: Ta = energia cinética correspondente à
onda de compressão inicial, integrada de zero
ao tempo necessário para se atingir o topo do
amostrador; T* = energia potencial inicial do
sistema (474 J).
Segundo essa abordagem, a eficiência
aumenta com o aumento do comprimento das
hastes. De forma a corrigir esta distorção, Aoki
e Cintra (2000) propuseram determinar a
eficiência do ensaio SPT (η*) a partir do
trabalho realizado na cravação do amostrador:
η* =
TA
× 100(%)
T*
(2)
em que: TA = máxima energia transferida ao
sistema amostrador-solo, medida a partir do
tempo necessário para a onda de compressão
atingir o topo do amostrador.
Quando o amostrador atinge a máxima
penetração, TA é transformada em energia
potencial de deformação (VA). Aplicando-se o
Princípio de Hamilton ao sistema amostradorsolo, Aoki et al. (2007) verificaram que VA é
igual à soma da energia potencial de
deformação elástica com o trabalho das forças
resistentes
não
conservativas
(WA).
Considerando que a parcela elástica do
deslocamento do amostrador é muito pequena
para a maioria dos solos e pode ser desprezada,
a eficiência do ensaio SPT pode ser obtida
através de:
η* =
WA
× 100(%)
T*
(3)
Verificou-se experimentalmente que os
valores de WA nos ensaios dinâmicos
praticamente coincidem com os valores obtidos
em provas de carga estática executadas sobre o
amostrador, logo após a cravação (Neves, 2004;
Aoki et al., 2007). Na prova de carga estática,
WA é definido como a área sob a curva cargarecalque, para um recalque específico.
O presente trabalho tem por objetivo
apresentar os resultados de medições de
eficiência de equipamentos de sondagens SPT
através da execução de provas de carga estática
executadas sobre o amostrador padrão
(PCESPT), em um depósito de areia. Foram
realizadas três provas de carga em dois
conjuntos
distintos
de
equipamentos,
totalizando seis ensaios.
2
EQUIPAMENTOS E PROCEDIMENTOS
Foram realizadas seis provas de carga estática
no conjunto amostrador padrão-hastes da
sondagem SPT. O terreno onde os ensaios
foram realizados é localizado em Natal – RN,
sendo composto por camadas de areia fina, fofa
a compacta (ver Tabela 2).
As provas de carga foram executadas após o
último golpe conferido ao amostrador padrão,
para uma determinada profundidade de ensaio
escolhida.
A carga foi aplicada através de um cilindro
hidráulico acionado por uma bomba manual e
reagindo contra um caminhão basculante
carregado. Entre o caminhão e o cilindro
hidráulico, foi disposto um perfil metálico, para
uniformizar a distribuição da carga no
caminhão.
As leituras de carga foram efetuadas por
meio de uma célula de carga com capacidade de
10 kN e acurácia de 0,01 kN, ligada a um
sistema de aquisição de dados.
As leituras de deslocamento foram feitas
com o auxílio de um extensômetro mecânico
com curso total de 50 mm e resolução de 0,01
mm. O extensômetro foi instalado na primeira
haste do ensaio SPT, por meio de uma base
magnética articulada. A Figura 1 apresenta a
montagem de um dos ensaios.
Os ensaios PCESPT1 a PCESPT5 foram
executados com estágios de carregamento
mantidos constantes. Em cada estágio, as
leituras eram realizadas a cada minuto, até que a
diferença entre duas leituras consecutivas fosse
inferior a 0,5 mm. Após satisfeito esse critério,
um novo acréscimo de carga era então aplicado.
O descarregamento era realizado em quatro
estágios de igual magnitude.
Tabela 1 apresenta as características das provas
de carga efetuadas, indicando a profundidade de
execução do ensaio e o valor do índice de
penetração NSPT nesta profundidade.
Tabela 1. Características das provas de carga.
Ensaio
ConSondaz (m)
junto
gem
SP-01
PCESPT1
A
4
SP-02
PCESPT2
A
3
SP-03
PCESPT3
A
2
SP-04
PCESPT4
B
3
SP-05
PCESPT5
B
3
SP-05
PCESPT6
B
5
Figura 1. Montagem de uma prova de carga estática no
amostrador SPT.
O teste PCESPT6 foi realizado com taxa de
penetração constante (CRP), cravando-se o
amostrador estaticamente no solo a uma
velocidade de 1 mm/min. Durante este ensaio, a
leituras de carga eram obtidas continuamente a
cada segundo pelo sistema de aquisição de
dados.
Os ensaios foram efetuados em dois
conjuntos de equipamentos de sondagens SPT.
No presente trabalho, o termo “conjunto” é
empregado para designar o sistema composto
pela equipe executora e pelos equipamentos
utilizados.
Os dois conjuntos pertenciam a empresas
diferentes, sendo denominados ao longo do
texto de A e B. O conjunto A era dotado de um
sistema de acionamento do martelo com corda e
tambor em rotação (cathead). O tambor era
acionado por um motor elétrico e trabalhava
com duas voltas da corda. Já o conjunto B
possuía mecanismo manual para elevação do
martelo.
As provas de carga PCESPT1 a 4 foram
realizadas em sondagens individuais, em uma
determinada profundidade. As provas de carga
PCESPT5 e 6 foram executadas na mesma
sondagem, em duas profundidades diferentes. A
NSPT
9
20
12
8
6
5
Tabela 2. Perfil da sondagem SP-01.
Prof. (m)
NSPT
Classificação do solo
0,55
0
Areia fina, fofa, com matéria
orgânica, cor marrom
1
14
Areia fina, compacta, com
2
16
mat. orgânica, cor marrom
3
7
4
9
5
8
Areia fina, medianamente
6
9
compacta, cor cinza claro
7
7
8
8
9
11
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
13
13
16
18
24
26
28
44
65
84
101
Areia fina, compacta, cor
cinza claro
Areia fina, compacta a muito
compacta, cor branca
Areia fina, siltosa, muito
compacta, cor cinza claro
Argila dura, cor cinza claro
3
APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS
RESULTADOS
A Tabela 2 exibe os resultados da sondagem
SP-01, considerada representativa do terreno. O
perfil do solo do terreno é composto por uma
areia fina, com compacidade variando de fofa a
muito compacta. Na profundidade de 20 m, é
encontrada uma camada de areia fina siltosa,
seguida por uma camada de argila dura. Os
valores de resistência à penetração NSPT
apresentados na Tabela 2 foram obtidos a cada
metro de profundidade e correspondem ao
número de golpes para os últimos 300 mm de
penetração do amostrador.
As Figuras 2 e 3 mostram as curvas cargarecalque das PCESPT realizadas nos conjuntos
A e B, respectivamente. Observa-se que as
curvas possuem trechos de descarregamento
praticamente horizontais.
0
0
4
8
Carga (kN)
12 16 20 24 28 32 36 40
Recalque (mm)
PCE3
PCE2
20
30
40
50
Figura 2. Curvas carga-recalque das provas de carga
estática executadas no conjunto A.
0
Recalque (mm)
10
0
2
4
Carga (kN)
6
8
PCE6
PCE5
10
12
sm =
300
(mm)
N SPT
(4)
em que: NSPT = número de resistência à
penetração na profundidade de execução da
prova de carga estática.
A Tabela 3 exibe os valores máximos de
recalque e carga atingidos nas provas de carga.
São também mostrados na mesma tabela os
resultados de VA, juntamente com os valores de
sm e da carga correspondente para se atingir tal
recalque. As cargas nos ensaios PCESPT5 e
PCESPT6
foram
obtidas
através
de
extrapolação, uma vez que não foram atingidos
tais níveis de carga nos ensaios.
10
PCE1
A energia potencial de deformação (VA) nos
ensaios foi obtida através da determinação da
área compreendida entre a curva carga-recalque
e uma linha horizontal correspondente à
magnitude da penetração média do amostrador
(sm). Os valores de sm foram determinados a
partir da seguinte expressão (Aoki et al., 2007):
14
PCE4
20
30
40
50
Figura 3. Curvas carga-recalque das provas de carga
estática executadas no conjunto B.
Os trechos horizontais denotam que
virtualmente toda a energia de deformação no
sistema é transformada em trabalho de forças
não conservativas. Com efeito, o formato do
amostrador padrão minimiza o desenvolvimento
de resistência de ponta. Estes resultados estão
de acordo com os obtidos por Aoki et al.
(2007).
A curva correspondente ao ensaio realizado
com taxa de penetração constante (PCESPT6)
apresentou um formato semelhante às demais.
Tabela 3. Resultados das provas de carga estática.
Carga
Ensaio Recalque Carga
sm
p/ sm
máx.
máx. (mm)
(mm)
(kN)
(kN)
44,0
PCE1
13,2
33,3
12,8
23,1
PCE2
34,0
15,0
31,8
38,1
PCE3
19,5
25,0
18,8
40,6
PCE4
10,5
37,5
10,4
36,6
PCE5
7,7
50,0
7,9*
15,0
PCE6
6,2
60,0
6,3*
*extrapolação
VA
(J)
400
402
436
355
365
365
A Tabela 4 mostra os resultados da eficiência
η*, determinada através da expressão (3),
considerando-se que a energia de deformação é
igual ao trabalho das forças resistentes não
conservativas (VA ≈ WA).
A média aritmética das três medições em
cada conjunto pode ser adotada como a
eficiência estática representativa dos conjuntos.
Dessa forma, é atribuída ao conjunto A uma
eficiência de 84% e ao conjunto B, uma
eficiência de 74%.
Estes resultados são superiores aos medidos
por Aoki et al. (2007), que reportam valores
experimentais de eficiência estática variando
entre 37% e 62%. Os resultados de eficiência
obtidos no presente trabalho apresentam-se
mais próximos dos relatados por Belincanta
(1998) e Cavalcante (2002).
Resistência estática prevista (kN)
Tabela 4. Eficiências estimadas através das
carga estática no amostrador SPT.
Ensaio
ConWA
η*
junto
(J)
(%)
PCE1
A
400
82
PCE2
A
402
82
PCE3
A
436
89
PCE4
B
355
73
PCE5
B
365
75
PCE6
B
365
75
35
provas de
Rs
(kN)
11,7
25,9
16,9
9,2
7,1
5,9
O número de resistência NSPT pode ser
convertido em uma resistência estática (Rs)
através de:
Rs =
WA
sm
(5)
30
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Resistência estática medida (kN)
Figura 4. Resistência estática medida nas provas de carga
estática no amostrador SPT versus resistência estática
prevista.
Inserindo (3) em (5), obtém-se:
4
0,474 × η * × N SPT
Rs =
(kN)
30
(6)
A última coluna da Tabela 4 exibe os valores
de Rs determinados através da equação (6). A
conversão de NSPT em um valor de resistência
estática, com significado físico, pode constituirse como uma importante ferramenta de auxílio
ao projeto de fundações profundas.
Na Figura 4 são apresentados os valores de
resistência
estática
(Rs)
obtidos
experimentalmente e os valores determinados
através da equação (6), mostrados na quarta
coluna da Tabela 3.
Observa-se que a resistência estimada
através
da
equação
(6)
aproxima-se
significativamente da resistência obtida através
das provas de carga estática. No entanto, os
valores de resistência estática estimada
apresentam-se ligeiramente inferiores aos
experimentais. Esta tendência aumenta com a
magnitude da resistência. Isto é esperado e
ocorre porque a prova de carga estática foi
realizada após a cravação dinâmica do
amostrador, o que confere à mesma um
incremento adicional de resistência.
CONCLUSÕES
Um programa experimental consistindo de uma
série de provas de carga estática no amostrador
do ensaio SPT foi conduzido em um depósito
de areia para a determinação da eficiência do
equipamento, segundo a proposição de Aoki et
al. (2007). Foram executados três ensaios em
dois conjuntos de equipamentos distintos,
totalizando seis testes.
A avaliação dos resultados das provas de
carga no solo estudado permitiu as seguintes
constatações:
• praticamente toda energia de deformação
aplicada ao sistema solo-amostrador foi
convertida em trabalho de forças não
conservativas;
• o conjunto de equipamentos de ensaios
SPT com sistema de acionamento do
martelo do tipo cathead apresentou uma
eficiência média igual a 84%, enquanto
que a resistência medida no conjunto
com acionamento manual foi de 74%;
• os valores previstos de resistência
estática a partir do índice de penetração
NSPT aproximaram-se significativamente
dos valores experimentais obtidos através
das provas de carga.
Em linhas gerais, a medição da eficiência do
ensaio SPT através de prova de carga estática
no amostrador mostrou-se uma técnica de
simples aplicação e de baixo custo, devendo,
portanto, ser incorporada à prática cotidiana de
execução de sondagens SPT.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem aos Engenheiros Nelson
Aoki e Maurício Mello pelo apoio e sugestões
na fase de execução dos experimentos.
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