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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS ENSAIOS DE LABORATÓRIO E CAMPO EXPLORAÇÃO DO SUBSOLO COLETÂNEA SOBRE SONDAGENS E ENSAIOS DE CAMPO Profº. Ana Lúcia de Campos Cordeiro Penna BH-- Fevereiro/ 2010 EXPLORAÇÃO DO SUBSOLO 1 INTRODUÇÃO ... 2. REQUISITOS TÉCNICOS A SEREM SATISFEITOS PELO PROGRAMA DE EXPLORAÇÃO DO SUBSOLO. mea 3 3. MÉTODOS PARA EXPLORAÇÃO DO SUBSOLO. 3.1 POÇOS... 32 TRINCHEIRAS 33 TRADOS MANU. 34 SPT (Standard Penetration Test 341 Equipamento 3.4.2 Procedimentos. 343 Critérios de paralização da sondagem....... 344 Ensaio de avanço da perfuração por lavagem. 3.4.5 Observação do nível d'água freático 3.4.6 Interpretação dos resultados . 34.7 Apresentação das sondagens 3.4.8 SPTF.... 3.5 SONDAGENS ROTATIVAS (sondagens em rocha). 35.1 Descrição 3.5.2 Equipamento 35.3 Apresentação dos resultados 3.6 SONDAGENS MISTAS ... 37 ENSAIOS DE CONE (CPT) e PIEZOCONE (CPTU) - ABNT MB-3.406 (1991). 3.8 ENSAIO DE PALHETA (VANE TEST) - (VST) - ABNT MB-3.122 (1989) 3.9 ENSAIO DILATOMÉTRICO - DMT - (DilatoMeter Test) 3.10 ENSAIO PRESSIOMÉTRICO - PMT... 3.10.1 PRESSIÔMETRO EM PERFURAÇÕES “PREBORED PRESSUREMETERS” (PBPM). .33 3.10.2 PRESSIÔMETRO AUTOPERFURANTE “SELF BORING PRESSUREMETERS” (SBPM 3.10.3 PRESSIÔMETRO CRAVADO “PUSHED-IN PRESSUREMETERS”(PIPM). .34 311 ENSAIOS DE PERMEABILIDADE DE CAMPO EM SOLO...... Consistência — A consistência das argilas e de outros solos coesivos é geralmente descrita como mole, média, rija ou dura. A medida quantitativa mais direta da consistência é a carga, por unidade de área, para a qual a amostra cilíndrica ou prismática, não confinada, do solo, rompe em um ensaio de compressão simples. Essa quantidade é denominada resistência à compressão não confinada do solo. Os valores dessa resistência correspondem aos vários graus de consistência, conforme quadro abaixo. (TERZAGHI, 1962). QUADRO - 1 CONSISTÊNCIA DA ARGILA EM FUNÇÃO DA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO NÃO CONFINADA R RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO NÃO CONSISTÊNCIA CONFINADA Qu (Kg/cm?) Muito mole Menor que 0,25 Mole 0,25 — 0,50 Média 0,50 — 1,0 Rija 1,0-2,0 Muito rija 2,0 4,0 Extremamente rija* Acima de 4,0 (*) Se uma argila extremamente rija é também quebradiça, ela é chamada dura. (TERZAGHI, 1962). 3. MÉTODOS PARA EXPLORAÇÃO DO SUBSOLO 3.1 POÇOS Dos inúmeros processos de investigação do solo, os mais simples consistem na abertura de um poço (pás, picaretas, enxadões, etc.) e retirada de amostras para exame e ensaio em laboratório.Constituem um dos melhores métodos de exploração do solo, pois permitem o exame cuidadoso das várias camadas e sua interligação. O processo é limitado economicamente pelas maiores profundidades, pela presença do nível d'água, e pelo múmero de poços necessários. As amostras retiradas de um poço podem ser do tipo deformado e indeformado, isto é, amostras escavadas e recolhidas em um recipiente qualquer, e amostras em forma de blocos, cuidadosamente recortadas, em geral do fundo dos poços, e devidamente condicionadas para que conservem suas características locais de umidade e estrutura. (NOGUEIRA, 1977). eu picareta 1 Poço de Investigação Escavado em Solo Oliveira, A.M.S., Brito, S.N.A. Geologia de engenharia - ABGE. Método de Extração de Amostra Indeformada - Bloco Tschebotarioff, Gregory P. Fundações, estruturas de arrimo e obras de terra. 3.4 SPT (Standard Penetration Test) Normalizado em 1958 pela ASTM (American Society for Testing and Materials) e no Brasil pela NBR — 6.484/2001. É o mais popular e tradicional método de penetração dinâmica conhecido internacionalmente pela sigla SPT. Apresenta 2 (duas) fases absolutamente distintas: perfuração e amostragem. 3.4.1 Equipamento O equipamento é constituído por: Trado concha e trado espiral. Tripé equipado com sarilho, roldana e cabo. Hastes de perfuração e revestimento. Amostrador padrão SPT. Martelo de 65 Kg. Trépano ou peça de lavagem. Bomba para circulação de água. Acessórios. NASAIS Operação menti FS, ESSA Haste Furo de 21452" Barrlieto E Sondagem à Percussão: SPT Oliveira, A.M.S., Brito, S.N.A. Geologia de engenharia - ABGE. Amostrador Tipo Raymond de 2” Terzaghi, Karl; Peck, Ralph B. Mecânica dos solos na prática da engenharia. 34.2 Procedimentos a) Processo de perfuração / «0a 4 « Inicialmente deverá ser feita a limpeza da área onde a mesma será executada, de forma a permitir a execução de todas as operações sem obstáculos. A perfuração é iniciada com o trado concha até 1 m (NBR-6.484/2001), e em seguida utiliza-se o trado espiral, até que se torne inoperante ou até atingir o nível freático. Passa-se ao método de percussão com circulação de água (lavagem). Crava-se o tubo de revestimento (basicamente para manter o furo aberto). Quando o avanço do furo se fizer por lavagem, deve-se erguer o sistema de circulação d'água (o que equivale a erguer o trépano) da altura de aproximadamente 0,3 m e durante sua queda deve ser manualmente imprimido um movimento de rotação no hasteamento. A remoção do material escavado se faz por meio de circulação de água, realizada pela tomba d'água motorizada. Durante as operações de perfuração, caso a parede do furo se mostre instável, procede-se à descida do tubo de revestimento até onde se fizer necessário, alternadamente com a operação de perfuração. O tubo de revestimento deverá ficar no mínimo a 0,5 m do fundo do furo, quando da operação de amostragem. Em sondagens profundas, onde a descida e a posterior remoção dos tubos de revestimento forem problemáticas, poderão ser empregadas lamas de estabilização em lugar do tubo de revestimento. Durante a operação de perfuração são anotadas as profundidades das transições de camadas detectadas por exame táctil-visual dos materiais trazidos à boca do furo pelo trado espiral ou pela água de lavagem. Durante a sondagem o nível d'água no interior do furo é mantido em cota igual ou superior ao nível freático. O indice de resistência à penetração (SPT ou N — Standard Penetration Test) é a soma do número de golpes necessários à penetração no solo, dos 30 cm finais do amostrador. (LIMA, 1978). 3.43 Critérios de paralisação da sondagem (NBR 6484-2001). a) O processo de perfuração por circulação de água, associado aos ensaios penetrométricos, deve ser utilizado até onde se obtiver, nesses ensaios, uma das seguintes condições: = Quando, em 3 m sucessivos, se obtiver 30 golpes para penetração dos 15 cm iniciais do amostrador. = Quando, em 4 m sucessivos, se obtiver 50 golpes para penetração dos 30 em iniciais do amostrador. = Quando, em 5 m sucessivos, se obtiver 50 golpes para penetração dos 45 em do amostrador. b) Dependendo do tipo da obra, das cargas a serem transmitidas às fundações e da natureza do subsolo, admite-se a paralisação da sondagem em solos de menor resistência à penetração do que aquela discriminada acima, desde que haja uma justificativa geotécnica eu solicitação do cliente. c) Não se observar avanço do amostrador durante a aplicação de cinco golpes sucessivos do martelo. 3.4.4 Ensaio de avanço da perfuração por lavagem Quando for atingida a condição de impenetrável à percussão anteriormente descrita, poderá a mesma ser confirmada pelo ensaio de avanço da perfuração por lavagem. Consiste na execução da operação de perfuração por circulação de água durante 30 minutos anotando-se os avanços do trépano, obtidos a cada período de 10 minutos. A sondagem será dada por encerrada quando no ensaio de avanço da perfuração por lavagem forem obtidos avanços inferiores a 5,0 em em cada período de 10 minutos. (não é recomendável a adoção do critério de impenetrável à lavagem por tempo para término da sondagem à percussão, quando estiver prevista a continuação da sondagem pelo processo rotativo). 3.4.5 Observação do nível d'água freático Durante a execução da sondagem à percussão são efetuadas observações sobre o nível d'água, registrando-se a sua cota, a pressão que se encontra e as condições de permeabilidade e drenagem das camadas atravessadas. Quando se consegue levar a perfuração com trado helicoidal até a profundidade de ocorrência do nível d'água, interrompe-se a operação de perfuração nessa oportunidade e passa-se a observar a elevação do nível d'água no furo até sua estabilização, efetuando-se leituras a cada 5 minutos durante 30 minutos. Nos casos onde ocorrem pressão de artesianismo no lençol freático ou fuga de água no furo deverão ser anotadas as profundidades das ocorrências e do tubo de revestimento. O nível d'água final da sondagem é determinado no término do furo, após esgotamento da mesmo e após a retirada do tubo de revestimento e decorridas 24 horas. (LIMA, 1979). 3.4.6 Interpretação dos resultados ESTADOS DE COMPACIDADE E CONSISTÊNCIA Índice de resistência à Solo penetração Designação* <4 Fofa 5a8 Pouco compacta(o) Areias e siltes arenosos 9a 18 Medianamente compacta(o) 19340 Compacta(o) >40 Muito compacta(o) <2 Muito mole 3as Mole Argilas e siltes argilosos 6al0 Média(o) 1a 19 Rija(o) >19 Dura(o) *As expressões empregadas para a classificação da compacidade das areias (fofa, compacta, etc.), referem-se à deformabilidade e resistência destes solos, sob o ponto de vista de fundações, e não devem ser confundidas com as mesmas denominações empregadas para a designação da compacidade relativa das areias ou para a situação perante o índice de vazios críticos, definidos na Mecânica dos Solos. NBR 6.484-/2001- Sondagens de simples reconhecimento com SPT — Método de ensaio. 3.4.7 Apresentação das sondagens Os resultados são apresentados em perfis do subsolo, onde são apresentadas: VASVSS As descrições de cada solo encontrado. As cotas correspondentes a cada camada. A posição do nível d'água. A data em que foi determinado o nível d'água. Os valores da resistência à penetração do amostrador (quando não ocorre penetração de todo o amostrador, registra-se o SPT em forma de fração, por exemplo, 30/14, indicando que para 30 golpes houve penetração de 14 cm). Sondagens feitas com proximidade (por exemplo, a cada 20 m) permitem o traçado de seções do subsolo, em que se ligam as cotas de materiais semelhantes na hipótese de que as camadas sejam contínuas. (PINTO, 2000). uq 13 34.8 SPTFE “Standard Penetration Test, with Friction measurement” (nomenclatura sugerida por D.Sc. S.M.T.Ranzini - Proposta - Revista Solos e Rochas — vol. 11 — 1988) “SPT-T. 1º Parte Objetivo/Ensaio/Procedimento Após a determinação da resistência à penetração (“SPT”), com o amostrador cravado na posição final, com penetração (h), aplicar um momento de torque às hastes (T), por meio de um torquímetro, de tal modo a medir a resistência de atrito lateral entre o amostrador e o solo (E). O ensaio de penetração é feito em três etapas em cada qual o amostrador padrão é cravado no solo 15 em pela percussão de uma massa de 65 Kg caindo de uma altura de 75 cm. O SPT é definido como a soma do número de golpes para cravação do amostrador de 45 em, desprezado o número de golpes para a cravação dos 15 em iniciais. O operador, ao término da cravação do amostrador aplicaria à haste uma torção, medindo, por meio de um torquímetro, o momento de torção máximo necessário à rotação do amostrador, para obter, assim, uma medida de resistência lateral que poderia ser utilizada, por exemplo, na avaliação da tensão lateral de estacas. Essa operação é em geral executada para facilitar a extração do amostrador, porém sem medir e torque necessário para tal rotação. Propõe-se, portanto, com apenas uma leitura adicional obter um dado que pode permitir uma avaliação mais precisa do atrito desenvolvido na interface solo-amostrador. (RANZINL 1988). 2º Parte SPTF “Standard Penetration Test, with Friction measurement” (fórmula e recomendação; por D.Sc. S.M.T Ranzini - Revista Solos e Rochas — vol. 17 — 1994) “SPT-T”. a) Fórmula: Ey = E) A enfRên-Dho(R ee) que, com os valores: h= (altura total de cravação do amostrador) R=2,54 cm (Raio externo do amostrador) ,905 cm (Raio mínimo da boca do amostrador) ho= 1,90 cm (Altura do chanfro tronco-cônico) 14 fornece: f, = T/(40,5366h-31711) com f, em Kgflem?, Tem cm.Kgfe hem cm; ou s=T/ (41,336h — 0,032) para f, em Kpa; Tem m.KN;ehemm. b) Recomendar seu emprego no cálculo direto do atrito lateral de estacas, além de aferidor do próprio SPT. (RANZINI, 19943. 3.5 SONDAGENS ROTATIVAS (sondagens em rocha) 3.5.1 Descrição Nas sondagens até aqui descritas, o avanço da perfuração é feita com o trado manual ou com emprego de lavagem. No caso de sondagens em rocha, torna-se necessário empregar equipamento mais elaborado e potente. A perfuração é procedida por meio de uma haste rotativa munida na extremidade de um amostrador, o qual dispõe de uma ferramenta especial “coroa amostradora” que por abrasão desgasta a rocha, permitindo o avanço do furo e o recolhimento de uma amostra “testemunho”. O acionamento da haste é feito pela “sonda rotativa”, a qual é constituída basicamente de um motor (a gasolina, diesel ou elétrico), um elemento de transmissão e um fuso que imprime todos os movimentos à haste (rotação, avanço ou recuo). A haste é perfurada e através dela injeta-se água sob pressão a qual saindo pelo amostrador remove detritos de perfuração ao mesmo tempo em que refrigera a coroa. Os amostradores podem ser simples ou duplo giratório. No primeiro a água de perfuração entra em contato direto com o testemunho podendo erodi-lo; no caso do amostrador duplo, um cilindro interno protege o testemunho da ação erosiva da água. A coroa amostradora é constituída por uma peça de aço muito duro na qual são incrustados pequenos diamantes ou pedra de vídia. A sua finalidade é cortar a rocha permitindo ao mesmo tempo a passagem do testemunho que vai se alojar dentro do amostrador para depois ser trazido à superfície do terreno. O avanço da perfuração fica sempre condicionado ao comprimento útil interno do amostrador. Uma vez perfurado esse comprimento, as hastes são retiradas do furo e os testemunhos cuidadosamente recolhidos e acondicionados em caixas especiais, na segiiência em que são obtidos. As sondagens rotativas são largamente empregadas em investigações para fundações de barragens, túneis, etc. Nos estudos para barragens e túneis costuma-se também utilizar a perfuração na rocha para realização de ensaios “in situ” (permeabilidade, resistência, deformabilidade, etc.). As sondagens rotativas servem também para complementar as sondagens à percussão em terrenos com matacões ou rocha a pequena profundidade. 3.5.3 Pastilha de vídia 16 Revestimentos — Compostos de tubos de aço com paredes finas mas de elevada resistência mecânica, com comprimento de 1 a 3 m. Sistema de circulação de água — Para refrigeração, expulsão de fragmentos e pressão que contribua para manter firmes as paredes do furo. Coroa de Vídia com Pastilhas Retangulares Apresentação dos resultados | Corpo E Rosca Seção calibradora «oulateral externa Batente —á,, -matiiz —Gi RERSIN, Diamante” |. Garganta Setores diamantados Saída d'água Diamante Coroa Diamantada com Saída de Água Lateral interna Deverá ser apresentado um perfil geológico do subsolo na posição sondada, baseado na descrição dos testemunhos. A descrição dos testemunhos deverá ser feita a cada manobra e deverá incluir: Classificação litológica (mineralogia, tipo de rocha, textura, etc.). Estado de alteração das rochas (pouco alterada, medianamente alterada, muito alterada, / / pá extremamente alterada e sã). Grau de fraturamento — Uma das maneiras de avaliar o grau de fraturamento da rocha é através do número de fragmentos por metro, o qual é obtido dividindo-se o número de fragmentos recuperados em cada manobra pelo comprimento da manobra. (LIMA, 1979). 17 ROCHA Nº FRATURAS / METRO Ocasionalmente fraturada 1 Pouco fraturada 2=5 Medianamente fraturada 6-10 Muito fraturada 11-20 Extremamente fraturada >20 Em fragmentos Pedaços de diversos tamanhos caoticamente dispersos Y RQD (Rock Quality Designation) “Deere -1967” ou IQR (Índice de qualidade da rocha): Obtém-se a porcentagem de recuperação, somando-se os comprimentos dos fragmentos > 10 cm dividindo-se pelo comprimento da manobra. RQD (%) QUALIDADE DO MACIÇO ROCHOSO 0-25 Muito Fraco 25-50 Fraco 50-75 Regular 75-90 Bom 90 — 100 Excelente 19 3.6 SONDAGENS MISTAS Entende-se por sondagem mista aquela que é executada à percussão em todos os tipos de terreno penetráveis por esse processo, é executada por meio de sonda rotativa nos materiais impenetráveis à percussão. Os dois métodos são alternados, de acordo com a natureza das camadas, até ser atingido o limite da sondagem necessário do estudo em questão. Recomenda-se sua execução em terrenos com a presença de blocos de rocha, matacões, lascas etc., sobrejacentes a camadas de solo. O conhecimento prévio das condições geológicas do local poderá recomendar desde o início a provisão de um equipamento de sondagem mista, propiciando a execução do reconhecimento em menor prazo e com menor custo. (LIMA, 1979). 3.7 ENSAIOS DE CONE (CPT) e PIEZOCONE (CPTES “Os ensaios de cone e piezocone, conhecidos pelas siglas CPT (Cone Penetration Test) e CPTU (Piezocone Penetration Test) respectivamente, vêm se caracterizando internacionalmente como uma das mais importantes ferramentas de prospecção geotécnica. Resultados de ensaios podem ser utilizados para determinação estratigráfica de perfis de solos, determinações de propriedades dos materiais prospectados, particularmente em depósitos de argilas moles, e previsão da capacidade de carga de fundações. Seu uso é recomendado principalmente em depósitos de solos compressíveis e de baixa resistência. A precisão do equipamento possibilita estimativas realistas das propriedades do solo, justamente em condições nas quais outras técnicas de ensaios mostram-se inadequadas. O princípio do ensaio de cone é bastante simples, consistindo na eravação no terreno de uma ponteira cônica (60º de ápice) a uma velocidade constante de 20 mm/s. A seção transversal do cone é normalmente de 10 cm?, podendo atingir 15 em? para equipamentos mais robustos, de maior capacidade de carga. Podem ser classificados em três categorias: * Cone mecânico - caracterizado pela medida na superfície, com a transferência mecânica pelas hastes, dos esforços necessários para cravar a ponta cônica qçe o atrito lateral f, . « Cone elétrico - As células de carga instrumentadas eletricamente permitem a medida de Jc e fg diretamente na ponteira. e Piezocone - Além das medidas elétricas de qç e f;, permite a contínua monitoração das pressões neutras u geradas durante o processo de cravação. O equipamento de cravação consiste de uma estrutura de reação sobre a qual é montado um sistema da aplicação de cargas. Sistemas hidráulicos são normalmente utilizados para essa finalidade, sendo o pistão acionado por uma bomba hidráulica acoplada a um motor à combustão ou elétrico. Uma válvula reguladora de vazão possibilita o controle preciso da velocidade de cravação durante o ensaio. A penetração é obtida através da cravação contínua de hastes de comprimento de 1,0 m, seguida da retração do pistão hidráulico para posicionamento de nova haste. 26 O conjunto pode ser montado sobre um caminhão, utilitário ou reboque, cuja capacidade varia entre 10 a 20 toneladas (100 e 200KN). A reação aos esforços de cravação é obtida pelo peso próprio do equipamento e/ou através de fixação ao solo de hélices de ancoragem manval. Sistemas automáticos de aquisição de dados são usualmente empregados em ensaios de cone. Programas computacionais simples permitem o gerenciamento do processo de aquisição e. armazenamento das condições “in situ”, através da interação entre um conversor analógico/digital e um computader. Em conclusão, os principais atrativos do ensaio são o registro contínuo da resistência à penetração, fornecendo uma descrição detalhada da estratigrafia do subsolo, e a eliminação de qualquer influência do operador nas medidas de ensaio. As medidas realizadas são: * Resistência de ponta (q. ) e Atrito lateral (£,) e Poropressão (u) e “ ponta o 2 Sbase o “3 Suya As poro-pressões durante as cravações são registradas através do elemento filtrante. A escolha de uma posição em particular - ponta (uj),base (u2) ou luva (u 3) do cone, dependerá da aplicação dada às poro-pressões registradas no ensaio. As medidas de resistência à penetração são influenciadas pelo efeito de poro-pressões atuando em áreas desiguais da geometria do cone, necessitando-se conhecer as pressões neutras medidas na base do cone, us, para calcular a resistência real mobilizada no ensaio, +. (SCHNAID, 2000). 
