COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
Estudo da Viabilidade do Uso do Penetrômetro Dinâmico Leve
(DPL) para Projetos de Fundações de Linhas de Transmissão em
Solos do Estado do Paraná
Pablo Fernando Sanchez
Instituto de Tecnologia
[email protected]
para
o
Desenvolvimento
-
LACTEC,
Curitiba,
Brasil,
Roberta Bomfim Boszczowski
Instituto de Tecnologia para
[email protected]
o
Desenvolvimento
-
LACTEC,
Curitiba,
Brasil,
Luiz Alkimin de Lacerda
Instituto de Tecnologia
[email protected]
para
o
Desenvolvimento
-
LACTEC,
Curitiba,
Brasil,
Rafael Dorigo Loyola
Instituto de Tecnologia
[email protected]
para
o
Desenvolvimento
-
LACTEC,
Curitiba,
Brasil,
RESUMO: Um dos principais objetivos dos projetos de linhas de transmissão (LT’s) é alcançar um
custo mínimo para um dado nível de segurança e confiabilidade. A grande incerteza neste processo
está no projeto das fundações das LT’s, onde existe a dificuldade na determinação das
características do solo, já que as estruturas, para as quais as fundações são calculadas, estão
espalhadas numa faixa de muitos quilômetros de extensão, dificultando a investigação completa do
subsolo para toda a extensão da linha com os equipamentos utilizados atualmente, em sua maioria o
SPT. O DPL é um equipamento portátil de investigação do subsolo, ele determina a resistência do
solo à sua penetração. O objetivo deste trabalho é avaliar a viabilidade de utilização do
equipamento DPL através de comparações de resultados deste ensaio com o ensaio SPT. Pode-se
dizer, com os resultados obtidos, que existe uma boa correlação entre os ensaios comparados,
mostrando que o DPL pode ser utilizado para se obter a resistência dos solos, tornando possível sua
utilização em projetos de fundações, com todas as vantagens que esse equipamento apresenta em
relação aos outros tipos de ensaios de campo utilizados.
PALAVRAS-CHAVE: Linhas de transmissão, Fundações, DPL, SPT.
1
INTRODUÇÃO
dificultando a investigação completa do subsolo
para toda a extensão da linha com os
equipamentos utilizados atualmente, em sua
maioria o SPT.
O DPL é um equipamento portátil de
investigação do subsolo, ele determina a
resistência do solo à sua penetração.
O objetivo deste trabalho é avaliar a
viabilidade de utilização do equipamento DPL
através de comparações de resultados deste
ensaio com o ensaio SPT. Procurou-se
quantificar a variabilidade das medidas obtidas
Um dos principais objetivos dos projetos de
linhas de transmissão (LT’s) é alcançar um
custo mínimo para um dado nível de segurança
e confiabilidade. A grande incerteza neste
processo está no projeto das fundações das
LT’s, onde existe a dificuldade na determinação
das características do solo, já que as estruturas,
para as quais as fundações são calculadas, estão
espalhadas numa faixa de muitos quilômetros
de extensão e em locais de difícil acesso,
1
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
no ensaio DPL, bem como as incertezas a elas
relacionadas.
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1
Ensaio SPT – Standard Penetration Test
torque, obtido a cada metro. Mmax é o valor do
momento máximo alcançado no instante
anterior à ruptura do solo e Mres é o momento
residual alcançado durante a rotação contínua
após a ruptura (NILSSON, 2008).
O ensaio continua, repetindo-se o mesmo
ciclo, acrescentando uma nova haste, batente e
guia e martelo, novamente repetindo os
procedimentos anteriores. A Figura 1 ilustra a
execução do ensaio DPL.
Segundo Schnaid (2000), devido à sua
simplicidade e baixo custo, o Standard
Penetration Test (SPT) é a ferramenta de
investigação mais empregada, tanto no Brasil
como em boa parte do mundo. A grande
experiência acumulada concorre para tornar as
informações do SPT a base para uma série de
métodos semi-empíricos de dimensionamento
de fundações, que são bastante populares no
Brasil.
O procedimento do ensaio consiste na
caravação de um amostrador no fundo de uma
escavação usando um martelo de 65 kg, caindo
de uma altura de 75 cm. O resultado do ensaio,
NSPT, é o número de golpes necessário para
fazer o amostrador cravar 30 cm, após uma
cravação inicial de 15 cm. O procedimento é
repetido para cada metro de profundidade da
perfuração (SCHNAID, 2000).
Figura 1. Execução do ensaio DPL.
Por se tratar de um equipamento portátil,
sem nenhuma automatização de processos e
pouco utilizado no cenário nacional, o DPL
apresenta algumas fontes de incertezas
inerentes a seu funcionamento, as quais
precisam ser controladas antes e durante a
execução do ensaio, para que seus resultados
finais sejam suficientemente confiáveis para as
correlações futuras (NILSSON, 2006). Essas
incertezas estão diretamente ligadas ao
cumprimento das diretrizes de execução do
ensaio, descritas na norma alemã DIN
4094/1991 e nos procedimentos de ensaio
propostos por Nilsson (2004a).
2.2 Ensaio DPL – Penetrômetro Dinâmico
Leve
O DPL é um instrumento de investigação
geotécnica que tem por finalidade fornecer
índices sobre a resistência que o solo oferece à
sua penetração. Consiste em uma ponteira
cônica de diâmetro 35,7 mm de secção igual a
10 cm² e ângulo da ponteira de 90º, acoplada a
um conjunto de hastes formadas por segmentos
rosqueáveis, cada segmento de haste possui 1 m
de comprimento. O conjunto é introduzido no
solo através de golpes de um peso de cravação
padronizado igual a 10 kg, com altura de queda
de 50 cm, contando-se o número de golpes para
a penetração de 10 cm da haste.
Esse procedimento é repetido enquanto as
hastes descem. A quantidade de golpes
necessária para a penetração de cada 10 cm
(N10) de haste é registrada na planilha de
campo.
O DPL Nilsson inclui ainda o valor do
3
AVALIAÇÃO DO DPL EM
LABORATÓRIO
Nessa etapa do projeto foi executada a
avaliação do DPL em laboratório, em três tipos
de solos, em condições controladas, para
posteriores comparações
Para tanto, foi utilizado um tambor padrão de
2
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plástico, com as dimensões de 90 cm de altura e
diâmetro de 60 cm (Figura 2). Este tambor foi
preenchido com solo em três condições de
compactação e foram determinados os números
de golpes de DPL para a completa cravação da
haste no solo selecionado.
fofa
0,80
0,226
1,21
1,26
intermediária 0,69
0,195
1,41
0,95
compacta
0,178
1,54
0,78
0,63
Tabela 2 – Dados da areia argilo-siltosa.
Altura Volume
Peso esp.
Índice
Densidade
(m)
(m³)
seco (g/cm³) de vazios
fofa
0,68
0,174
1,38
0,94
Intermediária
0,63
0,161
1,49
0,80
compacta
0,58
0,148
1,62
0,66
Tabela 3 – Dados da areia argilosa.
Altura Volume
Peso esp.
Índice
Densidade
(m)
(m³)
seco (g/cm³) de vazios
fofa
0,63
0,161
1,84
0,60
Figura 2. Tambor utilizado.
0,55
0,140
2,10
0,40
compacta
0,52
0,133
2,23
0,32
A Figura 3 apresenta o resultado dos ensaios
realizados na areia. Na condição de areia fofa,
os primeiros 60 cm de profundidade foram
cravados apenas com o peso próprio do
equipamento DPL – conjunto formado pela
haste de cravação, guia do batente e martelo.
Para os últimos 20 cm, foi registrado 1 golpe
para cravar cada segmento de 10 cm.
Para a condição intermediária, apenas os
primeiros 10 cm foram cravados com o peso
próprio do equipamento. Com este grau de
compactação o solo arenoso já apresentou um
pouco mais de resistência à cravação com uma
média de golpes variando entre 1 e 2 para cada
10 cm.
O solo arenoso no seu estado mais compacto
apresenta maior resistência a penetração da
ponteira do DPL, chegando a quadruplicar a
resistência quando comparado à compactação
intermediária.
Para os testes de penetração, em cada
condição de compactação, foram utilizados 300
kg de peso úmido dos seguintes solos:
a) Areia industrializada, que possui massa
específica igual a 2,75 g/cm³, teor de
umidade 9,2 % e peso seco 274,7 kg;
b) Areia argilo-siltosa, de massa específica
igual a 2,69 g/cm³, teor de umidade
24,9% e peso seco 240,2 kg;
c) Areia argilosa de massa específica igual
a 2,94 g/cm³, teor de umidade 1,6% e
peso seco 295,3 kg..
Para a obtenção do solo em seu estado mais
fofo, ele foi colocado no tambor com o auxílio
de um funil. Para a obtenção do solo em
condições intermediárias de compactação, o
mesmo foi compactado com um peso de 10 kg,
em 2 camadas de 40 cm, com 10 golpes do
soquete em cada camada. A última calibração
foi feita em solo compacto. Para conseguir essa
compactação o solo foi compactado em
camadas de 20 cm, com um soquete de 20 kg,
com 20 golpes por camada
As Tabelas 1, 2 e 3 resumem as condições de
ensaio dos solos.
Tabela 1 – Dados da areia.
Altura Volume
Densidade
(m)
(m³)
Intermediária
Peso esp.
Índice
seco (g/cm³) de vazios
3
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N10
N10
2
4
6
8
0
10
0
0
-0,1
-0,1
-0,2
-0,2
-0,3
-0,3
Profundidade (m)
Profundidade (m)
0
-0,4
-0,5
-0,6
8
10
-0,6
-0,8
-0,8
-0,9
-0,9
Compacta
6
-0,5
-0,7
Intermediária
4
-0,4
-0,7
Fofa
2
Fofo
Intermediário
Compacto
Figura 3. Comparação dos valores de N10 para os três
graus de compactação da areia.
Figura 4. Comparação do valores de N10 para os três
graus de compactação da areia siltosa.
Procedimento de compactação igual ao
ensaio com areia foi aplicado à areia argilosiltosa. Foram utilizadas alturas de 63 cm para a
areia siltosa fofa, 55 cm para a medianamente
compactada e 52 cm para o estado compactado.
Para a condição de menor compactação, os
primeiros 15 cm de profundidade foram
cravados apenas com o peso próprio do
equipamento DPL. Para a profundidade
restante, foi registrado uma variação entre 1 e 2
golpes para cravar cada segmento de 10 cm.
Para a compactação intermediária, apenas os
primeiros 5 cm foram cravados com o peso
próprio do equipamento. Com este grau de
compactação, a areia siltosa já apresentou um
pouco mais de resistência à cravação com uma
média de golpes variando entre 2 e 3 para
cravação de cada 10 cm.
No estado compacto, a areia argilo-siltosa
apresenta maior resistência a penetração,
chegando a duplicar a resistência quando
comparado à compactação intermediária.
Os resultados do ensaio DPL na areia siltosa
estão apresentados na Figura 4
Do mesmo modo, repetiu-se o ensaio com o
DPL para a areia argilosa. Para o primeiro caso,
com a areia argilosa simplesmente solta dentro
do tambor, a altura de solo dentro do tambor
chegou a 68 cm. Nesse caso a compactação
ocorreu somente com o peso próprio do
material. A condição intermediária de
compactação foi atingida com a compactação
de camadas de 30 cm através de uma massa de
10 kg aplicada em 10 golpes, o que resultou
numa altura de solo de 63 cm. No caso
compacto, adotou-se camadas de 15 cm. O
resultado final foi uma altura de solo no tambor
de 58 cm.
Os resultados dos ensaios acompanham os
resultados anteriores, areia e areia siltosa, com
valores bem superiores para a condição de solo
compacto. Os números de golpes de DPL nas
três condições de compactação estão
apresentados na Figura 5.
A Figura 6 resume os resultados dos ensaios
executados.
4
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0
2
4
6
8
de um terreno visando aplicação de Engenharia
Civil.
O DPL detecta a estratigrafia, fornece
resistência da ponta do cone e resistência lateral
do mesmo. No entanto, enquanto o SPT faz
amostragem do terreno, no ensaio DPL, o solo é
identificado por três meios; identificação de
solo levado nas ranhuras das hastes e da
ponteira, auscultação e finalmente cálculo do
quociente entre o atrito lateral e a resistência da
ponta. (NILSSON, 2004b)
Outra grande diferença entre os ensaios está
na energia aplicada para a penetração da haste.
SPT emite cerca de 10 vezes mais energia do
que DPL, só considerando a contribuição do
martelo. A caída do martelo de DPL emite 50
Joule, enquanto SPT descarrega 480 Joule por
golpe (NILSSON, 2004b). O barrileteamostrador do SPT tem o diâmetro externo 50,8
mm. A ponteira de DPL, padronizado por
norma internacional ISSMFE tem diâmetro 35,7
mm.
Como o ensaio SPT é o mais solicitado
ensaio “in situ” no Brasil e os projetistas estão
tão acostumados com SPT, que o índice de
resistência NSPT vale como indicador básico em
muitos projetos, a comparação de resultados de
DPL e SPT faz-se importante.
Para a realização do presente trabalho foram
coletados dados de resistência à penetração do
subsolo através de ensaios SPT e DPL em
diferentes formações geológicas, localizadas
nos municípios de Curitiba, Cascavel, Guaíra,
São José dos Pinhais e Figueira. Os resultados
destes ensaios foram analisados e comparados
estatisticamente
para
determinação
da
variabilidade entre os ensaios.
A campanha de ensaios realizados para este
estudo consistiu em 17 ensaios SPT e,
posteriormente, nessas mesmas localidades,
foram executados 17 ensaios DPL, seguindo a
mesma distribuição de furos, a uma distância
aproximada de 2 m dos furos SPT, onde foram
obtidas diversas resistências de penetração,
visando à comparação com a resistência de
penetração do ensaio SPT.
10
0
-0,1
Profundidade (m)
-0,2
-0,3
-0,4
-0,5
-0,6
-0,7
-0,8
N10
Fofa
Intermediária
Compacta
Figura 5. Comparação dos valores de N10 para os três
graus de compactação da areia argilosa.
0
2
4
6
8
10
0
-0,1
-0,2
Profundidade (m)
-0,3
-0,4
-0,5
-0,6
-0,7
-0,8
-0,9
Areia Fofa
Areia Intermediária
Areia Compacta
Areia Argilo-Siltosa Fofa
Areia Argilo-Siltosa Intermediária
Areia Argilo-Siltosa Compacta
Areia Argilosa Fofa
Areia Argilosa Intermediária
Areia Argilosa Compacta
N10
Figura 6 - Valores comparativos de N10 para todos os
tipos de solos e compactações da calibração.
4
CORRELAÇÃO COM ENSAIOS SPT
4.1
Tanto o ensaio de SPT quanto o ensaio de
DPL foram desenvolvidos para a caracterização
Correlações Lineares
Para determinação das correlações lineares foi
5
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utilizado o software Microsoft Excel. Os
valores do número de golpes NSPT (aqui
chamado de N30, por registrar os golpes nos
últimos 30 cm de cada metro de ensaio) foram
comparados com os valores de N10 (DPL) de
três formas diferentes:
a) média entre os todos os valores de N10
obtidos em cada metro;
b) média entre os valores de N10 obtidos
nos últimos 30 cm de cada metro;
c) soma dos valores de N10 obtidos na
penetração dos últimos 30 cm da haste
em cada metro.
Tendo esses conjuntos de dados bem
definidos, foram determinadas linhas de
tendência com regressão linear, equação do
gráfico e valor do R-quadrado (coeficiente de
correlação entre os valores de N30 e N10), o que
ajuda na análise da dispersão dos dados.
Na Figura 7 é apresentada a correlação, com
coeficiente R2 igual a 0,7902, entre o valor do
número de golpes N30 e a média entre os
valores do número de golpes N10, em cada
metro do ensaio realizado.
60
N30 (SPT)
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
N10 (DPL)
Figura 8. Correlação “média dos últimos 30 cm N10” X
N30.
A Figura 9 mostra a correlação, com
coeficiente de variabilidade R² igual a 0,7054,
entre o valor de N30 e a soma dos valores de N10
obtidos nos últimos 30 cm de cravação da haste,
em cada metro de ensaio realizado.
60
y = 0,1972x + 1,6854
R2 = 0,7054
N30 (SPT)
50
40
40
30
20
10
y = 0,5933x + 0,3755
R2 = 0,7902
0
30
N30 (SPT)
y = 0,6062x - 0,3644
R2 = 0,8508
50
0
50
100
150
200
250
N10 (DPL)
20
Figura 9. Correlação “soma dos últimos 30 cm N10” X
N30.
10
Para o conjunto de dados analisados, obtevese a melhor correlação entre os valores de N30 e
a média dos valores de N10 obtidos nos últimos
30 cm de penetração da haste, em cada metro de
ensaio realizado.
0
0
10
20
30
40
50
60
N10 (DPL)
Figura 7. Correlação “média N10” X N30.
Na Figura 8 tem-se a correlação, com
coeficiente de variabilidade R² igual a 0,8508,
entre o valor de N30 e a média dos valores de
N10 obtidos nos últimos 30 cm de penetração da
haste, em cada metro de ensaio realizado.
4.2
Avaliação da Correlação Linear
A norma alemã DIN 4094 sugere uma
correlação entre os ensaios de DPL e SPT. Esta
correlação foi comparada à obtida neste
trabalho e os resultados são mostrados a seguir.
A Figura 10 apresenta a comparação entre a
correlação linear da norma DIN 4094 e a
correlação obtida a partir da média entre os
valores de N10 e do valor de N30, para cada
metro.
6
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
60
60
y = 0,5933x + 0,3755
R2 = 0,7902
y = 0,1972x + 1,6854
R2 = 0,7054
50
40
N30 (SPT)
N30 (SPT)
50
30
20
10
40
30
20
10
DIN 4094
DIN 4094
0
0
0
20
40
60
80
0
50
100
N10 (DPL)
Figura 10 – Comparação entre Norma DIN 4094 e
correlação de N30 com a média de N10 a cada metro de
ensaio.
N30 (SPT)
5
y = 0,6062x - 0,3644
R2 = 0,8508
30
20
10
DIN4094
0
40
60
CONCLUSÕES
O objetivo deste trabalho foi avaliar a
viabilidade de utilização do equipamento DPL
através de comparações de resultados deste
ensaio com o ensaio SPT.
Pode-se dizer, com os resultados obtidos,
que existe uma boa correlação entre os dois
tipos de ensaio. Os coeficientes de correlações
(R²) obtidos foram: 0,7902, entre o valor do
número de golpes N30 e a média entre os
valores do número de golpes N10; 0,8508, entre
o valor de N30 e a média dos valores de N10
obtidos nos últimos 30 cm de penetração da
haste; e 0,7054, entre o valor de N30 e a soma
dos valores de N10 obtidos nos últimos 30 cm
de cravação da haste. Todos os resultados
obtidos para cada metro de ensaio realizado.
Com
esses
resultados,
mostra-se,
principalmente no segundo caso (valor de N30 e
a média dos valores de N10 obtidos nos últimos
30 cm de penetração da haste), que com a
utilização do ensaio DPL, pode-se obter a
resistência do solo investigado e, com isso,
torna-se possível a sua utilização em projetos de
fundações deste tipo de obra, com todas as
vantagens que esse equipamento apresenta em
relação aos outros tipos de ensaios de campo
40
20
250
A análise com a Norma DIN confirmou a
correlação entre os valores de N30 do SPT e a
média dos valores de N10 do DPL obtidos nos
últimos 30 cm de penetração da haste dos
ensaios realizados na presente pesquisa.
60
0
200
Figura 13 – Comparação entre Norma DIN 4094 e
correlação de N30 com a soma dos valores de N10 dos
últimos 30 cm de cravação da haste, para cada metro de
ensaio.
A Figura 11 mostra a comparação entre a
correlação linear proposta pela norma DIN
4094 e a correlação obtida a partir da média
entre os valores de N10 dos últimos 30 cm de
penetração da haste no ensaio DPL e do valor
de N30, para cada metro.
50
150
N10 (DPL)
80
N10 (DPL)
Figura 12 – Comparação entre Norma DIN 4094 e
correlação de N30 com a média dos valores de N10 dos
últimos 30 cm de cravação da haste, para cada metro de
ensaio.
Na Figura 13 tem-se a comparação entre a
correlação linear sugerida pela norma DIN 4094
e a correlação obtida a partir da soma dos
valores de N10 dos 30 cm finais de penetração
da haste no ensaio DPL e do valor de N30, para
cada metro.
7
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utilizados.
REFERÊNCIAS
DIN – Taschenbuch (1991) Erkundung und
Untersuchung des Baugrunds. Beuth, Alemanha, 12p.
ISSMFE (1989) International Reference Test procedure
for dynamic probing (DP). Report of the ISSMFE
Technical Committee on Penetration Testing of Soils
– TC 16 with Reference Test Procedures. . Swedish
Geotechnical Society, 49 p.
Nilsson, T.U. (2004a) O Penetrômetro Portátil DPL
Nilsson, V SEFE - Seminário de Engenharia de
Fundações Especiais e Geotecnia, São Paulo, SP,
Brasil, 10p.
Nilsson, T. U. (2004b) Comparações entre DPL Nilsson
e SPT. Geosul 2004 – Simpósio de Prática de
Engenharia Geotécnica da Região Sul, Curitiba, PR,
Brasil, 10p.
Nilsson, T.U (2006) Estatística e Correlações. Thomas
Nilsson Geoconsultores Ltda. Curitiba, PR, Brasil,
4p.
Nilsson, T.U. (2008) Parameter approach from DPL test.
International Conference on Site Characterization,
Taipei, Taiwan, 4 p.
Schnaid, F. (2000) Ensaios de Campo e suas Aplicações
à Engenharia de Fundações, 1ª ed., Oficina de
Textos, São Paulo, SP, Brasil, 208 p
8