PENETRÔMETROS DINÂMICOS EM PROJETOS RODOVIÁRIOS
Thomas Ulf Nilsson
Thomas Nilsson Engenharia Ltda. – Salto/ SP
RESUMO: Os projetos de rodovias requerem investigações que podem chegar até locais de difícil
acesso. Os penetrômetros dinâmicos são equipamentos de ensaios geotécnicos úteis para
caracterização estratigráfica, determinação do nível de água e da resistência do solo. São úteis
desde a definição detalhada do traçado geométrico até o controle tecnológico do subleito do
projeto da pavimentação. Fornecem ao projeto de terraplenagem a informação que possibilita
dimensionar altura e inclinação de taludes de corte e de aterro. Os projetos de terraplenagem e de
pavimentação, inclusive o dimensionamento de fundações, podem ser bem atendidos por diversos
tipos de penetrômetros.
ABSTRACT: The highway design require field operations, sometimes by certain complexity as
team and equipment must be able to get to locals with poor access. The dynamic penetration
apparatus are geotechnical test equipments, useful to characterize the soil layers, groundwater
level and soil resistance. The dynamic probe test can be useful on a multiple range, from the early
design to the compaction control of the sub-grade in the pavement project. Dimensioning of earth
works as excavations and embankments, especially the slope design, is supplied with information
carried out by dynamic probes as well as pavement projects and foundation calculus.
1
13º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental
1 - INTRODUÇÃO
A obra rodoviária é linearmente extensa e pode atravessar diferentes tipos de áreas, onde estão
presentes lotes com características variadas. O estudo de áreas tão diferentes indica a
necessidade da realização de ensaios e consequentemente relatórios demonstrativos das
características de solos encontrados.
De modo a minimizar custos, o reconhecimento geotécnico da região é fator relevante na projeção
de obras afinadas com a melhor técnica e economicamente viáveis.
Com a meta de dinamizar os trabalhos de campo o profissional tem como objetivo principal a
escolha de métodos práticos e rápidos para determinação de resultados confiáveis.
O uso de penetrômetros pode favorecer a dinâmica da definição estratigráfica dos solos, a
determinação do nível do lençol freático, a avaliação das resistências de ponta e atrito lateral,
além de serem equipamentos de fácil transporte, operação, locação e aquisição.
2 – NECESSIDADES
RODOVIÀRIOS
DE
ESTUDOS
GEOTÉCNICOS
PARA ATENDER
PROJETOS
2.1 – Projetos Geométricos
O Projeto geométrico desenvolve-se em três fases; planimétrica, altimétrica e seções transversais.
O projeto planimétrico considera segurança, desapropriações e topografia conforme o plano
adotado do traçado. O estudo geotécnico alerta sobre condições inapropriadas, onde deve
considerar mudança de traçado, como solos moles, geração de taludes íngremes e materiais da
3ª categoria.
O projeto altimétrico considera segurança e movimento dos materiais na terraplanagem, desta
forma é de importância econômica investir em sondagens e ensaios geotécnicos.
2.2 – Projeto de Terraplenagem
O projeto de terraplenagem será desenvolvido com base nas informações e dados obtidos através
dos estudos geotécnicos, topográficos, geométricos e hidrológicos. O processo iniciará com o
lançamento dos furos de sondagem no perfil longitudinal, com a respectiva classificação. Serão
apresentadas as seções típicas dos taludes em solo, seção típica de corte para talude em rocha,
bermas e soluções especiais para aterros, estabilização de subleito.
2.2.1 – Configuração de Taludes.
O processo de cálculo de estabilidade do talude precisa ser abastecido por parâmetros como;
peso do solo, coesão e ângulo de atrito. É difícil instalar equipamentos convencionais em taludes
e as vezes, sondagens nem são solicitadas, ou são feitas poucas em relação à heterogeneidade
do solo do local. O solo dos taludes acostuma ser, bastante heterogêneo. O cálculo da
estabilidade está garantido, no melhor caso, por parâmetros obtidos em retro-análise, ou no pior
caso, por parâmetros adotados.
2.2.2 – Aterros sobre solos moles.
Quando possível, o projeto deverá evitar, ou, contornar várzeas e brejos, locais que costumam
apresentar baixo suporte do solo. Caso não possível, o projeto de terraplenagem deverá ampliar
os estudos geotécnicos nos solos moles que a rodovia tem que ultrapassar. As sondagens
deverão definir a estratigrafia e o nível de água. A espessura do solo mole será desenhada no
mesmo perfil longitudinal onde consta o greide da rodovia. Não basta apenas quantificar, é
também necessário apresentar valores qualitativos do solo mole, portanto, é sempre necessário
prosseguir com ensaios geotécnicos. O dimensionamento do aterro sobre o solo mole pode exigir
parâmetros que define a compressibilidade do solo em função de tempo e de carga.
2
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Adensamento, com ou sem sobrecarga, com ou sem drenos verticais, exigem parâmetros que
entreoutros podem ser fornecidos por ensaios de CPT(u),(Cone Penetration Test, undrained),
onde um dos parâmetros mais interessantes é a poropressão. Ensaios de penetrômetros
dinâmicos com torquímetro conseguem fornecer atrito lateral, cuja importância além da solução
mencionada de adensamento, é importante em outras soluções como reforço do subleito por
compaction grouting, produtos químicos estabilizantes, eletro-osmose, onde o solo está sendo
ensaiado antes e depois o tratamento, assim conseguindo pôr o melhoramento em valores
numéricos.
2.2.3 – Controle tecnológico.
As notas técnicas do projeto deverão especificar os procedimentos que viabilizam a execução e
controle da compactação bem sucedida sob umidade ótima. O material para aterros deve ser
ensaiado direto na fonte em jazidas e caixas de empréstimo. Para ser viável proceder uma
quantidade significante de ensaios para controle, é importante ter acesso a métodos e
equipamentos que representam boa economia e agilidade.
2.3 - Projeto de Pavimentação
O pavimento sendo aplicado acima do subleito acompanha o comportamento mecânico do solo “in
situ”. Desta forma, o ensaio deve fornecer uma curva tensão/deflexão até a tensão máxima do
projeto, mas também, a deterioração do material sujeito a fadiga deverá ser ensaiado com ensaio
tri-axial dinâmica para obter a formulação matemática da redução do módulo de elasticidade. Para
obedecer às leis estatísticas, muitos ensaios deverão ser feitos no próprio local.
Os ensaios empregados para obtenção de uma curva de tensão/deformação (ou deflexão) e
consequentemente um módulo de elasticidade devem ser aqueles que mais se aproximam do
comportamento funcional do pavimento, o que hoje pode ser atendido por 2 ensaios, um “in situ” e
um de laboratório, hoje atendido por ensaio de placa e ensaio dinâmico tri-axial.
2.4 – OAE (Obras de artes especiais) e Obras complementares
São obras que necessitam fundações, geralmente profundas, portanto precisam ter ensaios
confiáveis que fornecem valores de atrito lateral e resistência da ponta que as estacas devem
encontrar como suporte através do solo.
3 – PENETRÔMETROS DINÂMICOS
3.1 – DPL
3.1.1 - Descrição do equipamento
O DPL NILSSON (Dynamic Probing Light,tipo NILSSON) é um equipamento portátil de cravação
dinâmica e ensaio de torque, que pode ser operado por 2 pessoas. Uma ponteira de diâmetro 35,7
mm e comprimento de 100 mm, com ângulo da ponta de 90º, acoplado por hastes de 22 mm de
diâmetro está sendo cravada através de um martelo de 10 kg, que sobe e desce 50 cm em volta
de uma guia, em caída livre ao batente conectado à última haste. As características geométricas e
o peso do conjunto das hastes, martelo, batente e ponteira são especificados por normas, entre
outras a norma alemã DIN 4094 (Deutsche Industrienorm 4094). Para melhor manter o
equipamento em prumo existe uma plataforma niveladora. A versatilidade do DPL possibilita fazer
uma grande quantidade de furos em pouco tempo. A instalação de um novo furo é extremamente
fácil (Nilsson T).
3.1.2 - Execução
Os ensaios deverão ser iniciados por um pré-furo de diâmetro15 cm a uma profundidade de 30
cm. É inserida uma haste, com a ponteira montada, na plataforma niveladora, colocando logo em
seguida este conjunto no furo, com a ponteira direcionada em prumo vertical ao solo. Após o
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posicionamento adequado de uma haste com a ponteira montada, a plataforma e a haste são
niveladas. Com a ajuda de dois operários, parte-se para a execução, parafusando o conjunto
batente/guia na haste. O martelo é inserido na guia e encostado no coxim. O martelo é levantado
e deixado cair livremente 50 cm, esse procedimento é repetido enquanto as hastes descem, até
que a parte inferior do batente esteja a 10 cm da plataforma niveladora cilíndrica. A quantidade de
golpes necessária para a penetração de cada 10 cm de haste, N10, é registrada na planilha de
campo. Uma vez, a cada metro, o ensaio de torquímetro é feito.
3.1.3 - Resultado
O boletim de ensaio apresenta, tabelado e em gráfico, os números de golpes, N10, para descer 10
cm em seqüência e os momentos de torque máximos e residuais. Em dois outros gráficos
constam os valores, qd, a resistência da ponta e fs, o atrito lateral. Finalmente, há uma
classificação do solo. Pelo gráfico, pelo quociente fmáx/q, identifica-se facilmente o comportamento
do solo, onde será deduzida uma aproximação boa a estratigrafia. Na retirada das hastes
identifica-se o nível de água. Não usando água no procedimento de sondagem garante que seu
eventual aparecimento identifica a posição imediata da água do lençol freático.
ENSAIO DE PENETRAÇÃO COM DPL NILSSON
R. Humberto de Campos/ R Rolf Gugisch
POSIÇÃO: Conforme croquis
z (m)
N10
qd
z (m)
N10
qd
h
5,1
6
h
10,1
25
h
0,2
f/qd
f/qd
f/qd
10,2
23
9
10,3
24
5,4
8
10,4
22
0,5
1
5,5
8
10,5
24
0,6
2
5,6
9
10,6
28
0,7
1
5,7
9
10,7
23
0,8
2
5,8
9
10,8
23
0,9
2
5,9
11
10,9
22
0,42
6
12
1,30
11
24
3,47
0,01
M(máx)
12,0
0,12
M(máx)
26,0
0,32
3%
M(res)
8,0
6%
M(res)
16,0
4%
1,1
2
6,1
20
11,1
34
1,2
6
6,2
23
11,2
30
1,3
4
6,3
23
11,3
37
1,4
4
6,4
20
11,4
39
1,5
2
6,5
20
11,5
26
1,6
2
6,6
23
11,6
24
1,7
1
6,7
19
11,7
42
11,8
17
11,9
34
7
17
3,35
12
28
4,51
M(máx)
4,0
0,02
M(máx)
16,0
0,17
M(máx)
28,0
0,37
M(res)
1,0
3%
M(res)
10,0
3%
M(res)
26,0
3%
2,1
5
7,1
21
12,1
2,2
7
7,2
21
12,2
2,3
7
7,3
16
12,3
2,4
8
7,4
18
12,4
7,5
19
12,5
7,6
17
12,6
2,7
2
7,7
18
12,7
2,8
4
7,8
18
12,8
2,9
5
7,9
19
12,9
1,53
8
18
3,02
13
0,00
0,03
M(máx)
11,0
0,22
M(máx)
0,37
M(res)
4,0
4%
M(res)
6,0
2%
M(res)
3,1
3
8,1
14
13,1
3,2
3
8,2
13
13,2
3,3
5
8,3
13
13,3
3,4
2
8,4
12
13,4
3,5
2
8,5
15
13,5
3,6
3
8,6
15
13,6
3,7
6
8,7
15
13,7
3,8
6
8,8
17
13,8
3,9
3
8,9
18
13,9
4
3
0,53
9
23
2,31
14
0,00
M(máx)
7,0
0,06
M(máx)
14,0
0,27
M(máx)
0,37
M(res)
4,0
9%
M(res)
12,0
3%
M(res)
4,1
3
9,1
24
14,1
4,2
3
9,2
28
14,2
4,3
4
9,3
21
14,3
4,4
3
9,4
23
14,4
4,5
3
9,5
26
14,5
4,6
4
9,6
26
14,6
4,7
4
9,7
22
14,7
4,8
6
9,8
18
14,8
14,9
10
20
3,46
15
0,00
0,09
M(máx)
12,0
0,32
M(máx)
0,37
M(res)
6,0
10%
M(res)
10,0
2%
M(res)
6,00
9,00
9,00
12,00
12,00
15,00
15
0
#DIV/0!
0,56
6,00
9
10
qd - Res. de ponta, MPa
1
6
3,00
7
0
9,0
3,00
6
f - Atrito lateral, kPa
5
0,00
100
#DIV/0!
M(máx)
PROF. (m)
90
14
4
19
80
13
8,0
9,9
70
12
3
6
60
11
M(máx)
4,9
50
(m)
6,9
0,84
9
40
8
37
4
4
10
30
5
2
2,6
20
4
P
R
O
F
1,9
2,5
10
3
1
2,0
19
0
2
0,5
6,8
4,10
1
M(res)
2
10 cm² 90°
0
M(máx)
1,8
F1
CONE :
Nível de água:
100
6
5,3
0,4
REG:
N10
80
5,2
0,3
1
01/12/02
COTA:
qd
0,1
N10
193/02
DATA:
60
z (m)
CONT:
40
LOCAL:
xxx
20
CLIENTE:
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
11
11
12
12
#DIV/0!
DESCRIÇÃO TACTIL VISUAL DE CAMPO
Argila siltosa amarela
3,00 - 4,00 Argila siltosa amarela / 4,00 - 6,00 Argila siltosa variegada
Argila siltosa variegada
Argila siltosa amarela
h
1%
3%
5%
5%
LEGENDA: z = profundidade (m) N10 = golpes necessários para cravação de 10 cm h = hastes em pleno contato c/ o solo (m)
M(res) = Momento de torque residual (Nm)
qd = Resistência da ponteira (MPa)
M(max) = Momento de torque máximo (Nm)
Fig. 1: Boletim de ensaio por penetração com DPL NILSSON.
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3.2 – DCP
3.2.1 - Descrição do equipamento
O DCP, Dynamic Cone Penetrometer, também chamado “Cone Sul Africano”, é projetado para
ensaios em camadas de pavimento, para uso de profundidade máxima até 1600 mm. No ensaio
padrão TRL (autoridade britânica), o ensaio é feito até 700 mm. A resistência do solo e a área de
uso restrita ao pavimento são os principais limitadores. A parte dianteira do equipamento avança
através o cone de 20 mm com ângulo 60º, maior em diâmetro do que as hastes, para garantir que
os valores da resistência do ensaio sejam unicamente determinados pela ponteira. A energia de
cravação é abastecida por martelo – peças de 4,6kg (simples) ou completado com mais 3,4kg
(duplo) – levado a caída livre. Manualmente erguido a 575 mm acima do batente e livremente
soltado. Geralmente usa-se o conjunto duplo em subleitos de resistência média a rija (Ireland,
H.O) (Costa Jr.,H. & Montanhini, L.R.A).
3.2.2 - Execução
O martelo é erguido 575 mm e soltado repetidamente enquanto as hastes descem. Na planilha de
campo é anotada a quantidade de golpes N25 necessários para a penetração da haste em
segmento de 25 mm. A velocidade dos golpes não deve ultrapassar 30 golpes por minuto, nem
deve ser menos que 5 golpes por minuto.
3.2.3 - Resultado
DPI, em alguns literaturas definido como DN, é a sigla para Dynamic Penetration Índex, o Índice
de Penetração . É a distância que a ponteira desce por golpe, (mm/golpe).
5
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Fig. 2 - Boletim de ensaio de cone de penetração dinâmica DCP.
3.3 – Outros penetrômetros dinâmicos
Existem, com o mesmo “design” da ponteira, mas em maior escala e com maior energia de
cravação, os ensaios DPM, DPH, e DPSH (Dynamic Probing Medium, Heavy e Super Heavy).
Eles têm maior peso e necessitam ser mecanizados para efetuar a execução (Cestari F). O uso
no Brasil é até agora muito pouco. Eventualmente, poderão ganhar espaço em projetos de
fundação profunda e investigação geotécnica de cortes mais profundos que 12m.
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3.4 – Penetrômetros estáticos
O presente trabalho trata de penetrômetros dinâmicos, mas é importante ao menos comentar
sobre uma outra linha de equipamentos. Os penetrômetros estáticos, CPT, CPT(u), “Cone
Penetration Test”, “ Deep Sounding” no caso do complementar “u” (“undrained”, não drenado)
com possibilidade de medir a poropressão, são ensaios que já existem no pais há longa data e até
serviram para elaborar métodos de dimensionamento de fundação profunda (Decourt, Quaresma).
Em termos de capacidade de fornecimento de parâmetros úteis e de qualidade e controle
automatizado, são entre os melhores que o mercado pode fornecer. Infelizmente, não ganharam a
popularidade que merecem, por motivos que são mais culturais e sociais do que econômicos ou
técnicos. Com as fortes mudanças sócio-econômicas do país, é possível que o mercado logo
solicite uma presença forte destes métodos mais sofisticados.
4 – UTILIZAÇÕES DE PENETRÔMETROS NOS ESTUDOS PARA PROJETOS EM RODOVIAS
Na etapa do projeto básico, quando ainda não está determinado o traçado, critérios importantes
para poder fornecer estudos que servem como base de decisão, são acessibilidade nestes locais,
frequentemente com mata virgem, e possibilidade de se fazer a maior quantidade de sondagens
no menor tempo possível, garantindo ainda, uma boa qualidade da investigação.
Os projetos de terraplenagem trabalham com corte e aterros e definição de inclinação de taludes e
suporte de aterros sobre solos moles. Nestes casos, a resistência ao cisalhamento é fundamental
conhecer. Entre a ponteira do DPL e o solo, o atrito lateral é obtido através giro lento por
torquímetro. O atrito lateral entre a ponteira metálica e o solo é menor que a resistência ao
cisalhamento do solo. O valor f (atrito lateral entre solo e ponteira) satisfaz com segurança o valor
de resistência ao cisalhamento do solo. Assim, valores conservadores para coesão e ângulo de
atrito poderão ser obtidos. Pesquisas recentes estudam a diferença de performance entre
ponteiras de aço e ponteiras de concreto. O resultado obtido para o atrito lateral parece, além do
solo, depender da escolha do material da ponteira. As peças de aço nos equipamentos de
sondagem oferecem menor atrito, comparadas com peças de concreto. Se o solo é composto por
mais que 40% de argila, pode ser considerado coesivo, c > f. Se há mais que 75% de areia, o solo
é granular com o ângulo de atrito dominante. Se o solo é saturado, coesão e principalmente
ângulo de atrito diminuem consideravelmente. Pode-se utilizar a fórmula do Mohr para determinar
o ângulo de atrito e respectivamente a coesão, senão, entrar nos cálculos diretamente com o valor
da resistência ao cisalhamento. Durante a cravação, o DPL detecta a alteração de resistência
entre camadas, que junto com a interpretação da estratigrafia fornece uma idéia do peso do solo.
Salienta-se que o lençol freático é detectado sem interferências do procedimento, pois a cravação
do DPL não faz uso de água (Nilsson T).
Em projetos de pavimentação, na prática, orçamento e prazo obriga o mercado aceitar
aproximações. Nos modelos mais simples, o material está considerado linear-elástico, e o módulo
de elasticidade é estimado através um ensaio que fornece um valor absoluto, muitas vezes obtido
de correlações ou empirismo. O ensaio de CBR, (California Bearing Ratio), um ensaio de
puncionamento, é além do que aceite, até consagrado. O puncionamento é efetuado mediante um
pistão rijo de 2’’ (50,8 mm) que atua sobre a amostra confinada em um cilindro com diâmetro de
150 mm e altura de 175 mm. A distribuição das tensões do pistão sobre a amostra gera uma curva
de tensões com grandes diferenças, operando na periferia da base do pistão tensões superiores
às do centro da amostra.
Do aspecto técnico, caso é aceite um ensaio como CBR, porque não aceitar DCP? Ou Panda,
Soil Stiffness Gauge, Clegg Hammer ou DPL?
Do aspecto comercial, não haverá dúvidas que o DCP está uma opção interessante. Um ensaio
de CBR exige todos os cuidados de retirada de amostra, transporte para laboratório,
procedimentos de manipulação e compactação, que leva a um tempo de ao menos 5 dias para
conseguir um resultado. Observar que DCP está portátil e já fornece o resultado em 10 minutos.
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5 - CONCLUSÕES
Para obras de maior porte, é importante poder ampliar a opção de ensaios. Quando utiliza SPT no
dimensionamento pode mesmo verificar as correlações entre DPL e SPT (Nilsson T,
Comparações entre DPL NILSSON e SPT). Observe-se que é possível, mas não necessário fazer
a transformação de DPL a SPT. Procedimento similar e observação paralela valem para a relação
entre o ensaio CBR e o ensaio DCP.
Os penetrômetros dinâmicos portáteis são ágeis e práticos em projetos rodoviários. Existem no
país há várias décadas, há uma experiência documentada e cada dia estão entrando em novos
projetos. Os projetos de terraplenagem, pavimentação e fundação são bem atendidos por
penetrômetros.
Entre os dois tipos de penetrômetros dinâmicos que o artigo descreve, DPL e DCP, o DPL
NILSSON é um equipamento de ensaio para penetração do solo, habilitado a fornecer os
parâmetros de resistência da ponta e atrito lateral, estratigrafia e nível de água.Pode ser levado a
locais de acesso extremamente difícil e atinge a profundidade de 12 m. Tem alta produtividade,
sendo uma média de 50 m por dia e por equipamento. Pode ser transportado por veículo de
passeio. É um equipamento ecologicamente amigável, pois durante a operação não usa
combustível ou eletricidade e não emite nenhum tipo de poluente. O menor penetrômetro de
todos, o DCP, atende muito bem projetos de pavimentação e controle tecnológico de
terraplenagem. Todos os métodos aqui apresentados têm uma vasta experiência internacional e
são padronizadas por normas nacionais e internacionais, a destacar a Norma alemã DIN e a
Norma inglesa TRL.
Os ensaios geotécnicos por penetrômetros dinâmicos poderão ser utilizados em outros tipos de
obras lineares além de rodovias, como ferrovias, dutos e linhas de transmissão.
REFERÊNCIAS
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13º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental