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THIAGO PEREIRA PINTO
AVALIAÇÃO DO USO DO PENETRÔMETRO DINÂMICO LEVE NA REGIÃO REGI ÃO NORTE MATO-GROSSENSE
SINOP 2012
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THIAGO PEREIRA PINTO
AVALIAÇÃO DO USO DO PENETRÔMETRO DINÂMICO LEVE NA REGIÃO REGI ÃO NORTE MATO-GROSSENSE Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Banca Examinadora do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Estado de Mato Grosso, Campus Universitário de Sinop, como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Orientador: Prof. Dr. Flavio Alessandro Crispim
SINOP 2012
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THIAGO PEREIRA PINTO
AVALIAÇÃO DO USO DO PENETRÔMETRO DINÂMICO LEVE NA REGIÃO REGI ÃO NORTE MATO-GROSSENSE Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Banca Examinadora do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Estado de Mato Grosso, Campus Universitário de Sinop, como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Orientador: Prof. Dr. Flavio Alessandro Crispim
SINOP 2012
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THIAGO PEREIRA PINTO
AVALIAÇÃO DO USO DO PENETRÔMETRO DINÂMICO LEVE NA REGIÃO REGI ÃO NORTE MATO-GROSSENSE Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à banca Examinadora do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Estado de Mato Grosso, Campus Universitário de Sinop, como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Aprovado: 04 de Junho de 2012. Banca Examinadora:
_____________________________ __________________________________________ _____________ Prof. Dr. Flavio Alessandro Crispim Orientador UNEMAT – Campus Universitário Universitário de Sinop
_____________________________ _____________________________________________ ________________ Prof. Dr. Rogério Dias Dalla Riva Avaliador UNEMAT – Campus Universitário Universitário de Sinop
_____________________________ _____________________________________________ ________________ Profª. Aline Cristina Souza dos Santos Avaliador UNEMAT – Campus Universitário Universitário de Sinop
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THIAGO PEREIRA PINTO
Pinto, atesto para os devidos fins que os dados e informações Eu, Thiago Pereira Pinto, constantes neste trabalho, intitulado: AVALIAÇÃO DO USO DO PENETRÔMETRO DINÂMICO LEVE NA REGIÃO NORTE MATO-GROSSENSE, MATO-GROSSENSE, são verídicos segundo as fontes utilizadas e originais segundo a abordagem e tratamento dado aos mesmos por mim, e que a obra em suas partes constituintes e no seu todo são de minha autoria. Assim, eximo de qualquer responsabilidade o professor orientador e os demais participantes da banca de defesa de autoria e da veracidade dos dados e informações apresentadas que possam existir neste trabalho.
Sinop, 04 de Junho de 2012.
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AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus por todas as graças alcançadas, e a família, base de todas as realizações. À minha mãe, Antonia Reinehr, pela grande dedicação, garra e carinho que a mim dedica. Ao meu pai, Claudio Aparecido Pereira Pinto, pelo grande carinho e amor, e por ter me apresentado desafios constantemente, o que com certeza foi um fator determinante para o meu crescimento pessoal e intelectual. Ao meu avô, José de Arruda Pinto ( in memorian ), pelo exemplo de inteligência e trabalho. Ao meu padrinho, Olavio Reinehr, por todas as conversas e orientações pessoais. Ao Prof. Dr. Wilson Conciani, pelo importante auxílio na construção do aparelho. Aos professores do IFMT de Cuiabá, Prof. Me. Luiz Carlos de Figueiredo e Prof. Ilço Ribeiro Junior pelas primeiras informações prestadas, que foram de grande valia para a construção do presente trabalho. Ao Prof. Me. Claudio Ernani Martins Oliveira pela grande e valiosa orientação no inicio deste trabalho e todos os conhecimentos transmitidos durante a graduação. Ao meu orientador, Prof. Dr. Flavio Alessandro Crispim pela enorme paciência na discussão da realização deste trabalho, conhecimentos transmitidos e ajuda. Ao Prof. Dr. Rogério Dias Dalla Riva, pelos conhecimentos transmitidos e indagações durante a realização das pesquisas. Aos companheiros acadêmicos de Engenharia Civil que auxiliaram na realização dos ensaios, em especial ao Jeferson Paraiba, e ao Roberto Aguiar dos Santos. Ao Engenheiro Civil Cleverson Pastore, do qual partiram as primeiras indagações que culminaram neste trabalho, e também pelos enormes conhecimentos transmitidos e discutidos sobre a boa pratica da Engenharia. À Accion Construtora e Incorporadora, em especial na pessoa dos seus representantes, Engenheiro Civil Alessandro Salles Silva e o Arquiteto Marcos Eduardo Ravazzi, pelas oportunidades e conhecimentos transmitidos, e apoio na realização do presente trabalho.
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À Carcaça no Lugar Tornearia, na pessoa do Sr. Edmar, pela ajuda na construção do aparelho utilizado nesta pesquisa. Aos autores das referências utilizadas neste trabalho. A todos os professores. A todos os meus amigos, pela excelente convivência durante a graduação, em especial aos companheiros Andréia de Medeiros, Lucas Mário, Gabriela di Mateos, Gabriela Polachini, João Anderson Demski, João Victor Zanela, Kelvim Antonio de Miranda e Ray Laurindo Sano. Aos integrantes do “Grupo Só Moage”, pela diversão proporcionada, já que se a Engenharia não der certo, não vai ser a música.
“Enivrez-vous. De vin, de poésie ou de vertu, à votre guise. Mais enivrez-vous”. Baudelaire
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RESUMO PINTO, Thiago Pereira. Avaliação do uso do Penetrômetro Dinâmico Leve na região norte mato-grossense. Sinop, 2012. 88 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Civil). Universidade do Estado de Mato Grosso, Campus Universitário de Sinop. Sinop, 2012.
A prospecção geotécnica fornece ao profissional responsável pelas fundações os dados geotécnicos necessários ao projeto das mesmas. O ensaio tradicionalmente utilizado é o Standard Penetration Test (SPT), porém sua utilização na região norte do Mato Grosso muitas vezes é dificultada, devido às grandes distâncias de deslocamento, gerando um custo de mobilização e operação relativamente alto. O presente estudo visou analisar as possibilidades de uso do Penetrômetro Dinâmico Leve (Dynamic Probing Light – DPL) na região. Para tanto construiu-se um aparelho e com o mesmo foram realizados cinco campanhas de sondagens em Sinop-MT e uma em Itaúba-MT. Com o estudo foi possível concluir que: (i) o DPL mostrou-se um equipamento prático e ágil, de dimensões reduzidas e que exige baixos custos de mobilização e operação; (ii) a sensibilidade do aparelho em solos moles da região mostrou-se adequada; (iii) o ensaio demonstra boa aplicabilidade a projeto de fundações superficiais e profundas corriqueiras em obras da região. Palavras-chave: Fundações; Penetrômetros Dinâmicos; DPL; Solos Moles.
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ABSTRACT PINTO, Thiago Pereira. Evaluation of the Dynamic Probing Light in the northern Mato Grosso. Sinop, 2012. 88 p. Course Conclusion Work (Civil Engineering Graduation). Universidade do Estado de Mato Grosso, Sinop Campus. Sinop, 2012.
The geotechnical prospection supplies to the responsible professional for the foundations the necessary geotechnical data to the project of the same ones. More the traditionally used essay is Standard Penetration Test (SPT), however its use in the region north of the Mato Grosso many times and has made it difficult, given to the great distances of displacement, generating a cost of mobilization and relatively high operation. The present study it has aimed at to analyze the possibilities of the use of the Dynamic Probing Light ( DPL) in the region. For in such a way a device was constructed and with five campaigns of soundings in Sinop-MT and one in Itaúba-MT had been the same carried through. With this study it is possible to conclude that: (i) the DPL revealed a practical and agile equipment, of reduced dimensions that it demands basses costs of mobilization and operation; (II) the sensitivity of the device in soft soils of the region revealed adequate; (III) the assay demonstrates to good applicability the project of current superficial and deep foundations in workmanships of the region. Keywords: Foundations; Dynamic Probing; DPL; Soft Soils.
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LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Perfil resultante da decomposição de rochas ........................................... 17 Figura 2 - Ensaio de carga de prova sobre placa ...................................................... 22 Figura 3 - Amostrador do SPT ................................................................................... 23 Figura 4 - Esquema de ensaio SPT .......................................................................... 24 Figura 5 - Medição do torque para o SPT-T .............................................................. 25 Figura 6 - Esquema de ensaio CPT .......................................................................... 27 Figura 7 - Resultados típicos obtidos com um ensaio CPTU .................................... 28 Figura 8 - Cone ......................................................................................................... 29 Figura 9 - Ensaio de palheta ..................................................................................... 30 Figura 10 - Ensaio pressiométrico ............................................................................. 32 Figura 11 - Aparelhagem para o ensaio dilatométrico ............................................... 33 Figura 12 - Penetrômetro manual de Barentsen ....................................................... 36 Figura 13 - Esquema geral de um DP ....................................................................... 37 Quadro 1 - Características para aparelhos de penetração dinâmica ........................ 38 Figura 14 - Ponteira dos Penetrômetros. .................................................................. 39 Figura 15 - Aparelho DPL e acessórios ..................................................................... 46 Figura 16 - Detalhes das partes do equipamento ...................................................... 47 Figura 17 - Detalhe da Ponteira do DPL ................................................................... 48 Figura 18 - Detalhe do guincho manual .................................................................... 49 Figura 19 - Perfil do solo de Sinop-MT ...................................................................... 50 Figura 20 - Pontos Selecionados em Sinop-MT ........................................................ 51 Figura 21 - Pontos Ensaiados em Itaúba-MT ............................................................ 52 Figura 22 - Execução do ensaio de DPL ................................................................... 53 Figura 23 - Ruptura da solda na interface ponteira-barra.......................................... 54 Figura 24 - Valores de para o solo de Sinop-MT ................................................ 55
N Figura 25 - Valores de N para o solo de Itaúba-MT ................................................ 56 Figura 26 - Comparação entre os valores de N , Q e N , para os Locais 02 e 03.................. 58 Figura 27 - Comparação entre os valores de N , Q e N , para os Locais 04 e 05.................. 59 Figura 28 - Valores de N e Q para os Locais 01 e 06 ........................................... 60 Figura 29 - Valores de q para os solos ensaiados ................................................. 62 Figura 30 - Valores de σ para os solos ensaiados ............................................... 63
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LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Fatores empíricos para o tipo de solo .........Erro! Indicador não definido. Tabela 2 - Fatores empíricos para o tipo de estaca .....Erro! Indicador não definido. Tabela 3 - Características do aparelho construído .................................................... 48
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LISTA DE SÍMBOLOS E SIGLAS
Área de ponta da estaca (m²) Coeficiente de uniformidade Diâmetro do Martelo Valor medido de energia aplicada pelo martelo Módulo de elasticidade oedométrico do solo Módulo de elasticidade pressiométrico Energia teórica por golpe do martelo Módulo de cisalhamento do solo Índice de plasticidade Índice de plasticidade Coeficiente de empuxo no repouso Número de golpes para cada 100 mm de penetração para o DPL, DPM, DPH, DPSH-A e DPSH-B Número de golpes para cada 100 mm de penetração para o DPH Número de golpes para cada 100 mm de penetração para o DPL Número de golpes para cada 200 mm de penetração para o DPSH-A e DPSH-B Número de golpes necessários a cravação do amostrador SPT Número de golpes necessários a cravação do amostrador SPT Razão de atrito Resistência não drenada do solo Resistência por atrito lateral em ensaios de cone Resistência lateral do DPL via torque (kPa); Número de barras extensoras conectadas ao DPL Pressão para a posição de deslocamento zero da membrana do dilatômetro Pressão para a posição de deslocamento de 1 mm da membrana do dilatômetro Pressão atmosférica Resistência de ponta do ensaio de cone Resistência de ponta dos penetrômetros Tensão admissível de ponta para a estaca (m²);
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Valores de resistência de trabalho para penetração no terreno Coeficiente de rigidez Expoente de rigidez; Limite de liquidez e Fatores empíricos e Fatores empíricos ′ Tensão vertical efetiva Tensão admissível do solo; ∆� Variação de tensão efetiva Área nominal da base do cone ABGE Associação Brasileira De Geologia De Engenharia ABNT Associação Brasileira De Normas Técnicas AENOR Associación Española de Normalización y Certificación (Associação Espanhola de Normatização e Certificação) Cone Penetration Test (Ensaio de penetração com cone) CPT CPTU Piezocone Penetration Test (Ensaio de penetração de piezocone) D Diâmetro da base do cone d Diâmetro externo máximo das barras de extensão para ensaios de DP DER-MG Departamento de Estradas de Rodagem de Minas Gerais DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes Dynamic Probing (Penetrômetro Dinâmico) DP Dynamic Probing Heavy (Penetrômetro Dinâmico Pesado) DPH Dynamic Probing Light ( Penetrômetro Dinâmico Leve) DPL A
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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 14 1.1 OBJETIVOS ..................................................................................................... 14 1.1.1 Objetivo Geral ........................................................................................... 14 1.1.2 Objetivos Específicos .............................................................................. 14 1.2 ESCOPO .......................................................................................................... 15 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 17 2.1 SOLOS ............................................................................................................. 17 2.1.1 Formação .................................................................................................. 17 2.1.2 Solos Arenosos ........................................................................................ 18 2.1.3 Solos Finos (Argilas e Siltes) .................................................................. 19 2.2 FUNDAÇÕES ................................................................................................... 19 2.2.1 Fundações Superficiais ........................................................................... 20 2.2.2 Fundações Profundas.............................................................................. 20 2.3 ENSAIOS GEOTÉCNICOS DE CAMPO PARA PROJETO DE FUNDAÇÕES 21 2.3.1 Ensaio de Prova de Carga sobre placa .................................................. 22 2.3.2 Ensaio de Percussão Padrão (SPT) e ensaio de Percussão com medida de Torque (SPT-T) ...................................................................................... 23 2.3.3 Ensaio de Cone (CPT) e de Piezocone (CPTU) ...................................... 26 2.3.4 Ensaio de Palheta in situ ......................................................................... 29 2.3.5 Ensaio Pressiométrico ............................................................................. 31 2.3.6 Ensaio Dilatométrico ................................................................................ 33 2.3.7 Ensaios de Penetrômetros Dinâmicos (DP´s)........................................ 34 2.3.7.1 Penetrômetro Dinâmico Leve (DPL) .................................................. 42 3 MATERIAIS E MÉTODOS ..................................................................................... 46 3.1 MATERIAIS ...................................................................................................... 46 3.1.1 Construção do Aparelho.......................................................................... 46 3.1.2 Solo Norte Mato-grossense ..................................................................... 49 3.1.3 Critérios de Escolha dos Locais Analisados ......................................... 50 3.2 MÉTODOS ....................................................................................................... 52 4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS.................................................... 54 4.1 DADOS DO APARELHO .................................................................................. 54 4.2 RESULTADOS DOS ENSAIOS ....................................................................... 55
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5 CONCLUSÕES ...................................................................................................... 65 6 SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS ...................................................... 66 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 67 APÊNDICE A – Resumo dos ensaios de DPL realizados..................................... 72 ANEXO A – Relatório de campo para ensaio de DP ............................................. 73 ANEXO B – Relatórios de SPT do Local 02........................................................... 74 ANEXO C – Relatórios de SPT do Local 05.........................................................78
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1 INTRODUÇÃO O ensaio geotécnico tradicionalmente utilizado em sondagens é o Standard Penetration Test (SPT), muito difundido no Brasil e praticamente o único ensaio de prospecção empregado no Estado de Mato Grosso. Em grande parte do Estado existem restrições à execução de sondagens, mesmo considerando o uso do SPT. A maioria das obras é de pequeno ou médio porte, demandando ensaios de baixo custo e isto, somado às grandes distâncias entre os centros urbanos e a precariedade dos acessos, além da carência de mão-de-obra especializada, aumenta os custos de mobilização e execução de sondagens em obras civis. Este cenário, aliado ao fato de que, em algumas regiões - como é o caso do município de Sinop-MT - há ocorrência de solos de baixa resistência onde o SPT não apresenta bons resultados. Tal fato indica a necessidade de se pesquisar um ensaio de sondagem alternativo, ou seja, um aparelho leve, de execução simples e com baixo custo de mobilização, tal como o Penetrômetro Dinâmico Leve ( Dynamic Probing Light - DPL), embora não se possa descartar a larga experiência acumulada com o ensaio SPT no país. Dentro deste contexto o presente trabalho buscou verificar as possibilidades de utilização e a resposta do uso à sondagem com Penetrômetro Dinâmico Leve, na região norte de Mato Grosso. 1.1 OBJETIVOS 1.1.1 Objetivo Geral O presente trabalho tem como objetivo geral analisar a utilização do ensaio de campo tipo DPL no solo da região de Sinop-MT e Itaúba-MT e verificar sua viabilidade técnica e econômica na obtenção de parâmetros geotécnicos para projeto de fundações. 1.1.2 Objetivos Específicos O presente trabalho apresenta os seguintes objetivos específicos: •
Construir um Penetrômetro Dinâmico Leve (DPL);
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•
•
Executar o ensaio de penetração dinâmica no solo da região de Sinop-MT e Itaúba-MT; Verificar a viabilidade técnica e econômica de realização do ensaio.
1.2 ESCOPO Esta monografia foi estruturada em 6 capítulos, além de apêndices e anexos. O Capítulo 1 apresenta a introdução da presente monografia, seus objetivos e o escopo sob o qual está organizado o texto. O Capítulo 2 fornece a fundamentação teórica do trabalho, versando sobre os assuntos necessários ao perfeito entendimento do trabalho. É feita uma revisão sobre o solo, sua formação e características que definem seu comportamento, dando ênfase àqueles geralmente encontrados na região norte mato-grossense. Após, são apresentadas as fundações, seus tipos, critérios de desempenho e projeto, sendo então detalhados os principais ensaios geotécnicos utilizados para os projetos de tais elementos, apontando suas características, procedimentos, experiências anteriores no país, procedimentos para dimensionamento das fundações, além das vantagens e desvantagens. Nesta última parte também é apresentado o DPL, equipamento utilizado na presente pesquisa. O Capítulo 3 descreve a metodologia de construção do aparelho. É feita a descrição do solo sinopense, baseado nos ensaios já realizados, e então são explicados os critérios utilizados para escolha dos locais de aplicação dos ensaios de DPL. O Capítulo 4 traz a apresentação e a análise dos resultados dos ensaios realizados com o aparelho, apresentando os parâmetros obtidos a partir de tais ensaios e comparando os perfis de solos entre os pontos ensaiados. Apresentam-se também os problemas encontrados durante a execução e os procedimentos efetuados para a resolução destes. As conclusões sobre a utilização do aparelho de sondagens tipo DPL na região norte do Mato Grosso são apresentadas no Capítulo 5. Sugestões para futuras pesquisas podem ser encontradas no Capítulo 6. No APÊNDICE A são apresentados de forma resumida os resultados dos ensaios de DPL realizados.
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No ANEXO A é apresentada a planilha de campo para a anotação dos dados do ensaio de DPL. No ANEXO B é apresentado um relatório de sondagem SPT realizado em Sinop-MT.
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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 SOLOS Solo, palavra derivada do latim solum , é definido como um material não consolidado na crosta terrestre, originado a partir da decomposição das rochas por ação do intemperismo (HOLANDA, s.d. apud DNIT, 2006). Do ponto de vista da engenharia civil considera-se solo todo e qualquer material que possa ser escavado sem a necessidade de explosivos. Basicamente solos são constituídos por um conjunto de partículas com água ou algum outro líquido, e ar nos espaços vazios, estando seu comportamento ligado à interação das partículas sólidas entre si (PINTO, 1998). 2.1.1 Formação Os solos são originados da decomposição de rochas que inicialmente compunham a crosta terrestre, formando um perfil próximo ao apresentado na Figura 1. Figura 1 - Perfil resultante da decomposição de rochas
Fonte: DNIT (2006).
Tal decomposição é fruto da ação de agentes físicos e químicos, que provocam trincas, fissuras, variações de tensões, ataques químicos, oxidação, carbonatação, etc (PINTO, 2006). Em locais de clima quente, como é o caso das regiões tropicais, tais ações são intensificadas, e o solo resultante é, de maneira
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geral, formado por pequenas partículas diferenciadas pelo tamanho e composição química, esta dependendo da composição química da rocha que lhe deu origem. A característica básica utilizada para diferenciar solos e rochas é o tamanho dos grãos. Sendo assim, são classificados, de acordo com a ABNT (1995), como: •
•
•
•
•
•
•
Bloco de Rocha: fragmentos de rocha, com diâmetro maior que 1,0 m; Matacão: fragmentos de rocha, em geral arredondados por ação de intemperismo ou abrasão, com dimensões entre 200,0 mm a 1,0 m; Pedra de mão: fragmento de rocha com diâmetro entre 60,0 a 200,0 mm; Pedregulho: solos constituídos por minerais ou partículas de rochas, com diâmetros entre 2,0 a 60,0 mm; Areia: solos não coesivos e não plásticos, formados por grãos com dimensões entre 0,06 e 2,0 mm; Silte: solo de pouca ou nenhuma plasticidade, constituído por partículas com diâmetros entre 0,002 e 0,06 mm; Argila: solo de graduação fina, com dimensões menores que 0,002 mm. Tem seu comportamento predominantemente plástico, moldando-se em diferentes formas quando úmido e quando seco apresenta coesão suficiente para a formação de torrões dificilmente desagregáveis.
Segundo França (2003), apesar do solo na natureza ser composto por diversas frações, é usual dividir seu estudo em função da fração que mais influencia no seu comportamento, podendo esta ser arenosa ou argilosa. 2.1.2 Solos Arenosos De acordo com Pinto (2006), na Engenharia Geotécnica, em especial de fundações, o termo areia designa solos em que a fração de areia é superior a 50%, pois areias com teor de finos entre 20 a 40% tem seu comportamento influenciado pela fração de argila. Portanto, na Mecânica dos Solos, areias são tidas como matérias granulares com reduzida porcentagem de finos, os quais não interferem significativamente no comportamento do conjunto.
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Por serem granulares, as areias são bastante permeáveis, portanto, em carregamentos a ela submetidos em obras de engenharia, a dissipação das poropressões devido a tais tensões ocorre rapidamente. Então, a resistência das areias pode ser definida em função das tensões efetivas (PINTO, 2006). 2.1.3 Solos Finos (Argilas e Siltes) De acordo com Pinto (1998), quando a porcentagem de material passando na peneira número 200 está compreendida acima de 50%, o solo é classificado como fino. Em tal caso ele será considerado como argila ou silte. Argilas e siltes, na prática brasileira da engenharia de fundações, têm sua distinção dada basicamente pelo aspecto apresentado numa classificação táctilvisual. Basicamente, o solo argiloso apresenta-se bastante plástico em contato com a água, formando torrões duros ao secar. Já aqueles siltosos são mais suaves ao manuseio na presença de água, e esfarelam-se com facilidade ao secar (PINTO, 1998). O comportamento de argilas em geral diferencia-se do comportamento de areais em razão de sua baixa permeabilidade, razão pela qual se deve conhecer a resistência do solo tanto em termos de carregamento drenado como de carregamento não drenado (PINTO, 2006). A resistência de uma argila é função do seu índice de vazios, e este é dependente das tensões atuantes e que já atuaram sobre a mesma, além da própria estrutura da argila (PINTO, 2006). 2.2 FUNDAÇÕES Fundações são estruturas responsáveis por transmitir os esforços da superestrutura ao solo, compatibilizando-os com as tensões e deslocamentos admissíveis desta. Classificam-se as fundações em dois grandes grupos: •
Fundações Superficiais;
•
Fundações Profundas.
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2.2.1 Fundações Superficiais Fundações superficiais, segundo definição da ABNT (2010), são aquelas em que a carga é transmitida ao terreno basicamente pelas tensões distribuídas pela base do elemento, além da profundidade de assentamento ser inferior a duas vezes a menor dimensão da fundação. Entre os tipos de fundações superficiais, segundo Velloso e Lopes (1998), podemos citar:
Bloco;
•
Sapata;
•
Viga de fundação;
•
•
Grelha;
•
Sapata associada;
•
Radier.
A previsão de carga em fundações superficiais pode ocorrer através de três diferentes métodos (ABNT, 2010): Métodos teóricos: a tensão admissível é determinada a partir de características de compressibilidade e resistência ao cisalhamento do solo, através de teoria desenvolvida na Mecânica dos Solos; •
Métodos empíricos: aqueles em que as propriedades dos materiais são obtidas a partir de correlações e então utilizadas em teorias desenvolvidas na Mecânica dos Solos; •
Métodos semi-empíricos: são aqueles em que a pressão admissível do solo é feita a partir da descrição do solo, consultando tabelas de pressões admissíveis para cada tipo de solo. •
2.2.2 Fundações Profundas A ABNT (2010) define fundações profundas como elementos de fundação que transmitem a carga ao terreno parte por sua ponta (resistência de ponta), parte por sua superfície lateral (resistência do fuste) ou ainda pela soma de ambos os efeitos.
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Além disso, tais elementos devem estar apoiados em uma cota de profundidade superior ao dobro de sua menor dimensão em planta e mínima de 3 metros. Velloso e Lopes (1998) organizam as fundações profundas de acordo com três tipos:
Estaca;
Tubulão;
Caixão.
•
•
•
Segundo Décourt (1998), no caso de estacas, parte das cargas serão transmitidas pela resistência ao cisalhamento ao longo do fuste, e parte pelas tensões normais atuantes na sua ponta. Assim, a capacidade de carga é definida como a soma das capacidades de carga máxima das resistidas pela ponta e pelo atrito lateral. Deste modo, Décourt (1998) afirma que a capacidade de carga pode ser avaliada através de processos diretos e indiretos. Nos procedimentos diretos os valores de capacidade de carga são definidos a partir de correlações empíricas ou semi-empíricas com ensaios in situ . Já os ditos indiretos referem-se àqueles processos em que a capacidade de carga é obtida a partir de formulações teóricas ou experimentais utilizando-se características de rigidez e cisalhamento dos solos, obtidas a partir de ensaios in situ e/ou laboratoriais. 2.3 ENSAIOS GEOTÉCNICOS DE CAMPO PARA PROJETO DE FUNDAÇÕES No projeto geotécnico e de fundações, é necessário um conhecimento adequado do solo. Assim, é necessária a classificação e identificação das várias camadas componentes do subsolo a ser analisado, avaliando em conjunto suas propriedades de engenharia necessárias e adequadas ao projeto. Tal classificação exige a execução de ensaios no solo que servirá de suporte a obra, podendo estes ser em laboratório, ou in situ (ALMEIDA, 1998). Nos itens a seguir são descritos alguns dos principais ensaios in situ.
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2.3.1 Ensaio de Prova de Carga sobre Placa O ensaio de Prova de Carga sobre placa, segundo Costa (1999) consiste em um ensaio estático de campo que tem por finalidade obter o comportamento de um elemento de fundação solicitado a esforços de compressão, além da obtenção de parâmetros estimados de resistência e deformabilidade. Teixeira e Godoy (1998) definem o ensaio como uma prova sobre um modelo reduzido de uma sapata, tendo este nascido antes mesmo das conceituações da Mecânica dos Solos. Segundo Costa (1999) a prova de carga sobre placa é tida como o mais antigo ensaio in situ de compressão. No Brasil, a norma regulamentadora do ensaio de carregamento sobre placa é a NBR 6489 - Prova de carga direta sobre terreno de fundação (1984). Segundo Teixeira e Godoy (1998) o ensaio é realizado através da aplicação de carregamentos sucessivos a uma placa de aço de 80 cm de diâmetro. Com a leitura dos recalques ocorridos (conforme ilustrado na Figura 2a), tem-se então o gráfico do comportamento Tensão x Recalque do solo ensaiado como o apresentado na Figura 2b. Figura 2 - Ensaio de carga de prova sobre placa
a) Esquema do ensaio b) Gráfico de Tensão x Recalque do solo Fonte: Adaptado de Teixeira e Godoy (1998).
A interpretação do gráfico resultante, segundo Teixeira e Godoy (1998), pode ser feita de acordo com os critérios de ruptura e recalques que norteiam qualquer projeto de fundações, extrapolando-se o modelo de placa para estimar os recalques de uma sapata de fundação. Segundo Almeida (1998) a prova de carga em placa é uma das melhores maneiras de determinação das características de deformação do solo (recalques
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versus carregamento). Algumas das desvantagens do ensaio
é a mobilização devido à dimensão dos equipamentos envolvidos, além do tempo de execução necessário por ponto ensaiado. 2.3.2 Ensaio de Percussão Padrão (SPT) e Ensaio de Percussão com Medida de Torque (SPT-T) O Standard Penetration Test (SPT), ensaio desenvolvido no final da década de 1920, constitui certamente um dos mais utilizados, rotineiros e econômicos métodos de ensaio utilizados no projeto de fundações no mundo. Introduzido no Brasil em 1939 através do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), é normatizado pela ABNT (2001). O ensaio consiste na medida de resistência dinâmica atrelada a uma sondagem de simples reconhecimento. A perfuração é realizada através da perfuração a trado e circulação de água através de um trépano de lavagem. O solo é coletado a cada metro de profundidade por meio de amostrador padrão representado na Figura 3, de diâmetro externo de 50 mm. Figura 3 - Amostrador do SPT
Fonte: Pinto (2006).
O procedimento de ensaio, segundo a ABNT (2001), consiste na cravação do amostrador 45,0 cm no fundo de uma escavação, através da queda de um martelo de 65 kg a altura de 75,0 cm, conforme esquematizado na Figura 4, anotando-se o número de golpes necessários para a cravação em três intervalos de 15,0 cm. O valor (ou ) é então o número de golpes necessários para a penetração dos últimos 30,0 cm do equipamento no solo. Ao retornar o amostrador à superfície, fazse a coleta das amostras do interior deste para a classificação do tipo de solo.
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Figura 4 - Esquema de ensaio SPT
Fonte: Pinto (2006).
O ensaio de SPT-T consiste na medição do torque junto à realização do ensaio de SPT. Segundo Mota (2003), a introdução da medida de torque foi proposta em 1988 por Ranzini. A medição do torque proposta por Ranzini não altera em nada o procedimento para obtenção do , sendo apenas necessário, após a cravação do equipamento, o acoplamento de um torquímetro à haste do SPT e a execução da medida de torque existente entre o amostrador e o solo. O esquema de medição do torque é mostrado na Figura 5.
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Figura 5 - Medição do torque para o SPT-T
Fonte: Mota (2003).
Do ensaio de SPT resulta então um perfil estratigráfico do solo, com o de cada camada ensaiada e o nível do lençol freático. Segundo Braga (2011) a partir destes dados pode-se fazer o dimensionamento de fundações profundas e superficiais através de métodos empíricos e semi-empíricos. Segundo Décourt, Albiero e Cintra (1998), no Brasil os métodos mais utilizados para dimensionamento de estacas são os semi-empíricos de Aoki-Velloso e o de Décourt-Quaresma. Uma das grandes vantagens de tal ensaio é o fato deste possuir um extenso banco de dados, formado por solos de diferentes tipologias e de diversas regiões brasileiras e mundiais, a partir das quais é possível obter-se as correlações necessárias à obtenção de diversos parâmetros geotécnicos. Segundo Schnaid (2000), em comparação aos outros ensaios, o SPT possui um custo relativamente baixo, principalmente em relação à simplicidade do aparelho. Apesar da ampla utilização e regulamentação do ensaio, Mota (2003) observa que há uma diversidade nos procedimentos e falta de padronização nas
26
realizações dos ensaios, como a falta de quantificação e controle da energia utilizada no ensaio. Outros autores, como Côrrea (s.d.), citam que, comumente, encontram-se operadores despreparados, utilizando equipamentos deteriorados ou fora da regulamentação, trazendo baixa qualidade aos resultados finais. Nilsson (2004a) indica a utilização do SPT em solos com > 20, em furos profundos (com mais de 12 metros) ou ainda quando o solo é granular. Mello (s.d. apud SCHNAID, 2000) explica que, de acordo com sua experiência, e como recomendação geral de projeto, não devem ser utilizadas correlações entre a resistência não drenada ( ) e o para solos moles ( < 5), devido à falta de
representatividade do valor de
medido.
Como pode ser visto nos ensaios
compilados por Braga (2011), os valores do parâmetro nas camadas superficiais do solo de Sinop-MT raramente chega a tal valor, demonstrando uma falta de representatividade do ensaio na região para fins de dimensionamento de fundações. 2.3.3 Ensaio de Cone (CPT) e de Piezocone (CPTU) Segundo Almeida et al . (1998) o ensaio de cone foi criado na década de 30 no Laboratório de Mecânica dos Solos de Delf, na Holanda, com o objetivo de auxiliar no projeto de estacas e na implantação de estradas. Consiste basicamente em um cone com ângulo de vértice de 60º e 10 cm² de área de base, penetrando no solo através de uma carga estática a velocidade constante, conforme esquematizado na Figura 6. O ensaio de CPT segundo Côrrea (s.d.) é feito através da cravação estática com velocidade controlada e constante de um cone mecânico ou elétrico, que registra os dados em um computador, e o piezocone diferencia-se pela leitura conjunta das poro-pressões do solo durante o ensaio.
27
Figura 6 - Esquema de ensaio CPT
Fonte: Velloso e Lopes, 2004.
O ensaio de penetração de cone in situ (CPT) é normatizado no Brasil pela NBR 12069: Solo – Ensaio de penetração de cone in situ (CPT) – método de ensaio (1991). Segundo a mesma, tal método fornece dados necessários à estimativa do comportamento dos solos para projeto e execução de obras de terra e infraestrutura. Das leituras do CPT resultam a resistência de ponta ou cone ( ), a
resistência de atrito local ( ), e a razão de atrito ( ) dada pela Equação 1.
= 100
(1)
Sendo: = razão de atrito;
= Resistência de atrito local; = resistência de ponta ou cone. Para o CPTU tem-se, além dos dados citados, a medida de poropressões (u). Um resultado típico de um ensaio é mostrado na Figura 7. O primeiro gráfico consiste em um perfil de resistência de ponta e atrito lateral. O segundo apresenta a relação entre o atrito lateral e a resistência de ponta, dada pela Equação 1, que
28
indica a estratigrafia do solo atravessado. Por fim, o terceiro gráfico apresenta as poro-pressões medidas no ensaio (u). Figura 7 - Resultados típicos obtidos com um ensaio CPTU
Fonte: Velloso e Lopes (2004).
Visando o projeto de fundações profundas, podem ser utilizados diversos métodos para dimensionamento a partir de dados do CPT ou CPTU, como os semiempíricos de Aoki e Velloso (1975), de Philipponnat, e o de Bustamante e Gianeselly, apresentados nos trabalhos de Décourt, Albiero e Cintra (1998). A partir da e da pode-se classificar o solo a partir do ábaco de Robertson e Campanella (s.d. apud SCHNAID, 2000). O CPT é considerado no meio geotécnico como um ensaio confiável e que apresenta excelente repetibilidade De acordo com Mota (2003), um dos grandes motivos de tal confiabilidade está no desenvolvimento que ocorreu com sua ponteira, que era inicialmente mecânica e fornecia apenas . Atualmente conta com diversos
sensores incorporados, como pode ser observado na Figura 8. Devido a tais sensores o ensaio fornece uma descrição do perfil estratigráfico confiável e preciso, em especial em relação ao tipo de solo, formação da camada,
29
sua espessura, uniformidade, continuidade, cota do nível d´água e estimativa dos parâmetros mecânicos do solo. Figura 8 - Cone
(a) Lunee et al. (1997). (b) Ortigão (1995). Fonte: Mota (2003).
Algumas desvantagens citadas por Corrêa (s.d.) são a necessidade de mão de obra qualificada e as dificuldades de transporte do equipamento. Pode-se ainda salientar o alto custo do aparelho devido à tecnologia empregada na ponteira. 2.3.4 Ensaio de Palheta in situ O ensaio de palheta é um dos primeiros desenvolvidos para a determinação da resistência não drenada do solo ( ). O ensaio consiste na rotação a velocidade
padrão e constante, de uma palheta com formato de cruz, nas profundidades de interesse e leitura do torque empregado para tal. Tal palheta e seu esquema de ensaio são apresentados na Figura 9.
30
Figura 9 - Ensaio de palheta
Fonte: Velloso & Lopes (2004).
De acordo com Flodin e Broms (1981 apud SCHNAID, 2000), o ensaio de palheta foi desenvolvido na Suécia em 1919, por John Oisson, e introduzido no Brasil em 1949 pelo IPT e Geotécnica S.A. (RJ). Foi posteriormente regulamentado pela ABNT (1989). O ensaio é feito inserindo-se uma palheta de seção cruciforme em argilas de consistência mole a rija, com a posterior aplicação de torque necessário para cisalhar o solo por rotação em condições não drenadas, o que exige um conhecimento prévio do solo para avaliar a aplicabilidade do ensaio e a avaliação dos resultados. Após a leitura do torque pode-se calcular a resistência não drenada através da Equação 2.
= 0,86.T .� Sendo: = resistência não drenada de argilas; T = torque medido na rotação; D = diâmetro da palheta.
(2)
31
Esta fórmula tem validade para condições usuais de não drenagem, solo isotrópico, altura (H) da palheta sendo o dobro do diâmetro (D), e constante no entorno da palheta. Segundo Pinto (1992 apud SCHNAID, 2000), a resistência não drenada de argilas é o único parâmetro necessário a projetos de aterros sobre argilas moles. Ainda, de acordo com Collet (1976), a grande vantagem de utilização do ensaio na análise de estabilidade de aterros sobre solos moles é seu aspecto econômico, pelo menor custo em relação às outras opções para obtenção da , sua rapidez e a redução da perturbação da amostra.
2.3.5 Ensaio Pressiométrico O pressiômetro de Ménard, apresentado na Figura 10, foi idealizado pelo engenheiro francês Louis Ménard, destinado à caracterização de rigidez de uma ampla gama de solos e rochas. Seu resultado é altamente variado pela maneira de instalação no solo, para que a variação seja a menor possível, o pressiômetro é introduzido em um furo previamente aberto, com o mesmo diâmetro do aparelho.
32
Figura 10 - Ensaio pressiométrico
(a) Aparelhagem completa (b) Sonda autoperfurante tipo LCPC e (c) Sonda autoperfurante, tipo Camkometer Fonte: Velloso e Lopes (2004).
De acordo com Almeida et al. (1998) o pressiômetro é inicialmente introduzido no terreno e, após isso, a pressão na célula é aumentada, provocando uma expansão cilíndrica do solo ao redor da mesma. A deformação radial é obtida diretamente pela quantidade de água introduzida na célula. A pressão na célula é aumentada entre estágios, e mantida constante durante um tempo de 2 minutos para cada, sendo feitas leituras em trinta, sessenta e cento e vinte segundos. Os resultados são dispostos em um gráfico, apresentando-se as deformações plásticas medidas durante os intervalos em função da pressão corrigida, além das pressões totais, obtidas após cento e vinte segundos. A partir de tais parâmetros, podem ser obtidos o módulo de cisalhamento do solo ( ), e o módulo de
elasticidade pressiométrico ( ).
33
Seu resultado é altamente variado pela maneira de instalação no solo, sendo uma forma de diminuir tal variação a introdução do aparelho em um pré-furo com o mesmo diâmetro do pressiômetro. Um pressiômetro autoperfurante foi desenvolvido em conjunto pela França e Inglaterra durante o início da década de 1970, porém sua utilização é restrita a alguns tipos de solos. Almeida et al. (1998) indicam que, até a data de execução do seu trabalho, no Brasil apenas a Escola Politécnica da Universidade de São Paulo possui um aparelho desse tipo. 2.3.6 Ensaio Dilatométrico Desenvolvido na Itália pelo Professor Silvano Marchetti, o dilatômetro é formado por uma lâmina de aço inoxidável com uma membrana circular de aço muito fina em uma das faces, de forma similar a um instrumento tipo célula de pressão total. O aparelho de ensaio é esquematizado na Figura 11. Figura 11 - Aparelhagem para o ensaio dilatométrico
Fonte: Damasco Penna (2012).
34
O ensaio dilatométrico dá-se através da cravação de uma lâmina dilatométrica no terreno, medindo o esforço requerido para tal cravação e, em seguida, aplica-se uma pressão de gás de forma a expandir a membrana de aço (SCHNAID, 2000). A partir da leitura de pressão desse gás em dois momentos, inicialmente com a posição de deslocamento zero da membrana ( ) e posteriormente com a posição
de deslocamento de 1 mm ( ). A partir da leitura de pressões e através de correlações semi-empíricas, Schnaid traz correlações a partir das quais podem ser estimados os valores de coeficiente de empuxo no repouso ( ), módulo de deformabilidade ( ), razão de
), resistência ao cisalhamento não drenada de argilas () e ângulo de atrito interno de areias ( ′ ). sobre-adensamento (
Ainda segundo Schnaid (2000), a experiência brasileira é pouca, restringindose a validação da experiência internacional sob condições locais, baseados na comparação de outros ensaios de campo e laboratório. 2.3.7 Ensaios de Penetrômetros Dinâmicos (DP´s) Os penetrômetros dinâmicos (DP’s), segundo a Associação Brasileira de Geologia de Engenharia - ABGE (1980 apud TSUHA, 2003), são instrumentos que fornecem índices sobre a resistência à penetração de um solo. São constituídos por um tubo ou ponteira maciços ligados a hastes, e introduzidos no solo por pressão de um macaco hidráulico (penetração estática) ou de sucessivos golpes de um peso de cravação (penetração dinâmica). De acordo com Röhm (s.d. apud TSUHA, 2003), a análise de resistência das camadas de um terreno através da penetração de hastes no terreno é uma técnica utilizada há muito tempo. A evolução de tal processo dá origem aos penetrômetros utilizados atualmente na obtenção de características do solo em diversos locais, em especial onde a amostragem se torna difícil. O aparelho é definido por Tsuha (2003) basicamente como uma ponteira no final de uma haste metálica, que é cravada no solo através de um processo dinâmico ou estático. Nos equipamentos dinâmicos, a energia necessária à cravação provém da queda livre de uma massa sobre um elemento solidário à haste. Já no equipamento estático, a energia é obtida através de sistemas como coroa-
35
pinhão, correntes, macacos hidráulicos, tendo alguma massa como reação para o ensaio. Os primeiros relatos da utilização dos penetrômetros surgem na Holanda, entre os anos de 1932 a 1937, quando Barentsen patenteia a invenção de um sistema (apresentado na Figura 12) de revestimento – haste – cone com a denominação de penetrômetro manual (AOKI, 1973 apud TSUHA, 2003). Ainda segundo Aoki (1973 apud TSUHA 2003), o aparelho de Barentsen consiste em um cone de aço, com área de base de 10 cm², com ângulo de vértice de 60º, fixado a uma haste de aço por meio do qual o cone é introduzido no solo, e um tubo de revestimento que protege a haste de aço, evitando o contato direto com o solo e eliminando o atrito entre os mesmos. O aparelho é posicionado no solo e o cone é cravado a profundidade de ensaio, por um ou dois homens, através de um dispositivo de prensagem de quatro braços fixado ao tubo de revestimento. Após a cravação da ponteira e o conjunto haste-tubo de revestimento, este é prolongado através do acoplamento de novas peças de 1,0 m. por meio de roscas e repete-se o procedimento, até a cota desejada de ensaio.
36
Figura 12 - Penetrômetro manual de Barentsen
Fonte: Aoki (1973 apud TSUHA, TSUHA, 2003).
Nacionalmente a utilização de penetrômetros ainda não é normatizada, porém o mesmo teve suas características de equipamento padronizadas pela primeira vez pela International Society for Soil Mechanicas and Foundations Engeneering ISSMFE (1977) com posterior padronização do procedimento de ensaio pelo ISSMFE (1989). Na Europa o aparelho e o método de ensaio são padronizados pelo Comité Europeén de Normalization - CEN (2005) com a posterior regulamentação também pelos países, como a Asociación Española de Normalización y Vertificación - AENOR (2008) que padroniza os DP´s na Espanha. Nos Estados Unidos, a padronização é feita pela American Society for Testing and Materials - ASTM (2009). O esquema geral de um equipamento produzido de acordo com a AENOR (2008) é mostrado na Figura 13.
37
Figura 13 - Esquema geral de um DP
Fonte: Ávila e Conciani (2006).
De acordo com a AENOR (2008), os diferentes ensaios de penetração dinâmica diferem-se entre si pelas dimensões e massas dos equipamentos, classificando-se em: •
•
•
Ensaio de Penetração Dinâmica Leve Leve (DPL): está situado no extremo mais baixo do intervalo de massa m assa dos equipamentos dinâmicos; Ensaio de Penetração Dinâmica Média Média (DPM): (DPM): está situado no intervalo de massa médio dos equipamentos dinâmicos; Ensaio de Penetração Dinâmica Pesada Pesada (DPH): está situado situado no intervalo de massa médio a muito pesado dos equipamentos dinâmicos;
Ensaio de Penetração Dinâmica Super Pesada (DPSH): (DPSH): está situado situado no intervalo de massa mais alto dos equipamentos dinâmicos, podendo ser classificado ainda em DSPH-A ou DPSH-B, dependendo da altura de queda do martelo. As características normatizadas para os aparelhos DP´s pela AENOR (2008) são apresentados no Quadro 1, e as ponteiras estão esquematizadas detalhadamente na Figura 14. •
38
Quadro 1 - Características para aparelhos de penetração dinâmica Peça Massa do martelo, novo Altura de queda Cabeça de impacto
Símb.
Unid.
DPL
DPM
DPH
DPSH DPSH-A
DPSH-B
m
Kg
10 ± 0,1
30 ± 0,3
50 ± 0,5
63,5 ± 0,5
63,5 ± 0,5
h
mm
500 ± 10
500 ± 10
500 ± 10
500 ± 10
750 ± 20
d 50 < d < 50 < d < 0,5 50
Fonte: Adaptado de AENOR (2008).
50
50
18
30
16
20
45,0 ± 0,3
50,5 ± 0,5
43
49
90,0 ± 2b
51 ± 2
22,5 ± 0,1
25,3 ± 0,4
5
5
6
8
32
35
0,1
0,1
0,2
0,2
194
238
39
Figura 14 - Ponteira dos Penetrômetros
a) Ponta tipo 1 - (fixa) b) Ponta tipo 2 (Perdida) Legenda: 1 Barra de extensão 2 Orifício de injeção (opcional) 3 Montagem por rosca 4 Ponta do cone 5 Cone 6 Camisa cilíndrica 7 Montagem por penetração L Tamanho da camisa cilíndrica D Diâmetro da base da barra d r r Diâmetro Fonte: Adaptado de AENOR (2008).
O procedimento de ensaio padronizado pela AENOR (2008) consiste na cravação do penetrômetro de forma contínua no terreno, em uma velocidade entre 15 e 30 golpes por minuto, fazendo-se o registro do número de golpes para cada 100 mm de penetração ( ) para o DPL, DPM e DPH, e a cada 100 mm ( ) ou
200 mm ( ) para o DPSH-A ou DPSH-B, além da medida do par de torsão, no mínimo, a cada 1 metro de penetração. Obtém-se então o perfil de resistência do solo entre as cotas ensaiadas, e é possível fazer a leitura do nível d´água através do furo deixado pela cravação do equipamento.
40
Os resultados de tais ensaios adéquam-se à determinação qualitativa do perfil de solo quando junto com investigações diretas, já que este não recolhe amostras como o SPT, ou como uma comparação direta entre outros ensaios in situ . Também podem ser utilizados para a determinação de parâmetros de resistência e deformação de solos, profundidade de lentes de solos, dentre outros, como exemplificado pela AENOR (2008). A interpretação dos resultados é feita através das Equações 3.1 ou 3.2 que remetem os valores de energia.
= ℎ
(3.1)
Sendo: = energia teoricamente transmitida ao cone; = massa do martelo, em kg; = aceleração da gravidade, em m/s²; ℎ = altura de queda do martelo, em m. Ou:
=
(3.2)
Também utilizam-se as Equações 4.1 ou 4.2, para determinar a resistência de trabalho para penetrar no terreno .
=
(4.1)
=
(4.2)
Ou
Sendo:
= valores de resistência de trabalho para penetração no terreno;
41
= área de base da ponta, em m²; = a penetração média, em m por golpe. A resistência de Ponta é dada pela Equação 5:
= +
(5)
Sendo:
= valores de resistência de ponta para o penetrômetro, (0,10/ para o DPL, DPM e DPH e 0,10/ ou 0,20/ para o DPSH); = número de golpes necessário para a penetração de 100 mm.; = número de golpes necessário para a penetração de 200 mm.; = massa do martelo, em kg; ’ = massa total das hastes de prolongação, da cabeça de impacto e das barras guias até a cota considerada, em kg. Os resultados obtidos do ensaio podem então ser correlacionados ao módulo de elasticidade oedométrico do solo ( ), com a Equação 6, apresentada pelo
CEN (2007).
= ( ′ + 0,5 ∆′)
(6)
Sendo: = coeficiente de rigidez;
= expoente de rigidez;
<3, =0,5; Para argilas com baixa plasticidade ( <10, 35), =0,6; Para areias com coeficiente de uniformidade
≤
′ = tensão vertical efetiva na base da fundação ou a uma profundidade abaixo dela devido a sobrecarga do solo; = tensão vertical efetiva causada pela estrutura na base da fundação ou a uma profundidade abaixo dela devido a sobrecarga do solo; = pressão atmosférica;
∆′
42
= índice de plasticidade; = limite de liquidez. Os valores de podem ser derivados do DP usando as equações 7, 8, 9 ou 10, a depender do tipo de solo. A partir do DPL, para areias mal-graduadas acima do nível d’água, tem-se:
= 214lg + 71
(DPL – Faixa de validade 4 ≤
50)
≤
(7)
Para areias mal-graduadas acima do nível d’água e baseando-se no DPH, utiliza-se:
= 249lg + 161
(DPH – Faixa de validade 3≤
10)
≤
(8)
Com base no DPL, para argilas de baixa plasticidade com índice de consistência rígida ( e abaixo do nível d’água, aplica-se:
0,75 ≤ ≤ 1,30)
= 4 + 30
(DPL – Faixa de validade 6 ≤
19)
≤
(9)
Para as argilas citadas anteriormente, baseando-se no DPH, deve-se empregar a seguinte formulação:
= 6 + 50
(DPH – Faixa de validade 3 ≤
13)
≤
(10)
2.3.7.1 Penetrômetro Dinâmico Leve (DPL) O penetrômetro dinâmico leve (Dynamic Probing Light - DPL) é um DP manual de pequeno porte, projetado para sondagens em solos moles devido a sua pequena energia por golpe. Segundo Pinto e Conciani (s.d.), nos últimos anos há uma tendência à busca por simplificação nos métodos de ensaio de campo e uma busca por melhor clareza e aplicabilidade dos resultados de tais ensaios como parâmetros de projetos, e dentro de tal proposta surge o DPL. Segundo Ávila e Conciani (2005) o ensaio é conhecido internacionalmente desde os anos 50, porém pouco difundido no Brasil. Nilsson (2004b) relata as características de um equipamento de DPL portátil utilizado na região sudeste do
43
Brasil. Ávila, Conciani e Cunha (2006) comparam dois equipamentos DPL utilizados no país. Souza, Santos e Conciani (s. d.) comparam os resultados de aparelhos DPL construídos com diferentes tubos ocos e Nilsson (2004a) faz comparações entre o DPL e o SPT. Já na análise de solos alguns trabalhos que podem ser citados são os de Canto et al (2008a) e Canto et al (2008b) que avaliam resultados de DPL em solos do Paraná, os de Ávila e Conciani (2005) que relatam o uso de cones no Mato Grosso, o de Miguel et al (2005) que fazem a análise de solos de Londrina-PR com a utilização do DPL com outros métodos de ensaio e os de Mota (2003) que estuda argilas em Brasília-DF utilizando o DPL em conjunto com outros ensaios. Para correlações e obtenções de parâmetros dos solos, podem ser vistos os trabalhos de Nilson (2008) e Alves Filho (2010). Pinto e Conciani (s.d.) estudam o melhoramento de um solo siltoso a partir de dados obtidos com o DPL. Para projetos geotécnicos Ribeiro Junior, Sarto e Conciani (2007) e Sanchez et al (2010) usam o DPL para o projeto de fundações. Nilson e Cunha (2004) trazem métodos para projeto de estacas em solos brasileiros a partir do DPL. Nilsson (2011) relata aplicações do DPL em projetos rodoviários. O Departamento de Estradas de Rodagem de Minas Gerais - DER-MG (2011), inclui o DPL como possível aparelho a ser utilizado no estudo de fundações de aterros. O dimensionamento de fundações rasas através do DPL pode ser feito utilizando o método apresentado por Huarte (s.d. apud Nilsson 2008), através da Equação 11.
= 20
(11)
Sendo: = tensão admissível do solo;
= resistência de ponta do cone. Nilsson e Cunha (2004) propõem um método para o dimensionamento de fundações profundas a partir dos resultados de DPL para alguns solos do Brasil, conforme é exposto nas fórmulas a seguir. A Equação 12 apresenta o cálculo da carga admissível para esse tipo de fundação.
44 . + =
(12)
Sendo: = Capacidade de carga admissível para a estaca (kN); = Tensão admissível de ponta para a estaca (m²);
= Tensão admissível por atrito lateral para a estaca (m²); = Fator de segurança, geralmente 2 no Brasil; = Área de ponta da estaca (m²); = Área lateral de estaca, por segmento (m²) ≥
O valor de
utilizado na fórmula anterior é dado pela Equação 13: =
(13)
Sendo: = Resistência de ponta do DPL (kPa);
= Fator empírico dado pela Tabela 1; = Fator empírico dado pela Tabela 2.
É necessário também determinar o valor de , obtido pela Equação 14:
= Sendo: = Resistência lateral do DPL via torque (kPa);
= Fator empírico dado pela Tabela 1; = Fator empírico dado pela Tabela 2.
(14)
45
Tabela 1 – Fatores empíricos para o tipo de solo Solo Curitiba (Geral) 0,2 Curitiba (Formação Guabirotuba) 1,8 Curitiba (Material de curso aluvionar) 1,5 Campinas (Argila porosa colapsível) 0,5 Brasília (Argila porosa colapsível) 0,5 Londrina (Argila porosa colapsível) 0,2
Tabela 2 – Fatores empíricos para o tipo de estaca Tipo de estaca Estaca escavada 0,2 Drilled caisson 0,4 Hélice continua monitorada 0,2 Estacas Ômega 0,6 Estaca pré-moldada cravada em argila 0,5 porosa
0,6 1,3 1,8 1,0 1,1 0,3
1,2 0,1 2,0 2,8 0,7
Uma vantagem do DPL apresentada por Alves Filho (2010) consiste na sua praticidade, baixo custo operacional e de equipamento. Para a execução da sondagem é necessário apenas um sondador auxiliado por um operário e, dada às dimensões reduzidas, o equipamento pode ser facilmente transportável em um porta-malas de um carro pequeno. Nilsson (2009) traz a utilização do aparelho DPL em taludes inclinados, ressaltando sua portabilidade e facilidade de utilização mesmo em regiões de difícil acesso. Nilsson (2004a) recomenda a utilização do DPL em solos de baixa resistência, com < 4, ressaltando uma boa resolução e rápido avanço nestes casos. A escolha entre o SPT e DPL depende das situações em que cada um é mais efetivo, ou ainda um uso conjunto entre os dois. O autor recomenda, de modo geral, que o DPL seja utilizado em solos com < 4, argilas porosas e solos finos, quando é necessária a medida do atrito lateral, quando há necessidade da realização de grande quantidade de furos e ainda quando as condições de acesso ao local são dificultadas. Segundo Rodrigues e Albuquerque (2011) o DPL tem grande vantagem na utilização para projeto de fundações em obras de menor porte, onde os valores de investigação correspondem a um valor alto no orçamento, podendo inviabilizar a execução do projeto. O equipamento tem baixo custo e dimensões reduzidas, utiliza poucos operadores, apresentando boa produtividade e custos inferiores ao SPT. Corrêa (s.d.) cita o baixo alcance (12 m) e a resistência do cone (10 MPa com o cone de 10 cm²) como algumas limitações para sondagens com o DPL.
46
3 MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 MATERIAIS 3.1.1 Construção do Aparelho O aparelho utilizado nesta pesquisa (Figura 15) foi construído pelo autor em conjunto com o Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Estado de Mato Grosso - UNEMAT, utilizando barras maciças de aço redondo, trefilado, designado pela ABNT (2000) como COPANT 1045, sendo este material posteriormente usinado em torno mecânico para a obtenção do aparelho conforme indicado pela AENOR (2008). Figura 15 - Aparelho DPL e acessórios
As barras extensoras, apresentadas na Figura 16a, foram confeccionadas com comprimento de 1 m, utilizando-se barra maciça com diâmetro de 22 mm e roscas de 16 mm de diâmetro nas pontas, para a realização do acoplamento, sendo estas pintadas a cada 10 cm para facilitar a tomada de dados em campo. Também foi feita uma barra com o coxim metálico que recebe os golpes do martelo, apresentada na Figura 16b.
47
Figura 16 - Detalhes das partes do equipamento
a) Detalhe da barra extensora
b) Detalhe da barra com cabeça de bater e martelo
A ponteira do DPL (Figura 17a) foi construída a partir de um tubo do mesmo material das barras, seguindo as dimensões apresentadas na Figura 17b, atendendo às características normatizadas para a peça (AENOR, 2008). Posteriormente, a mesma foi soldada a uma barra, de forma a diminuir o risco de perda da mesma durante o ensaio.
48
Figura 17 - Detalhe da Ponteira do DPL
a) Detalhe da ponteira
b) Dimensões da ponteira
As características do aparelho construído estão apresentadas na Tabela 3. Tabela 3 - Características do aparelho construído Peça Comprimento (m) Barra 1 – Com ponteira 1,18 Barras de extensão – 2 a 7 1,00 Barra 8 – Com cabeça de bater 1,20 Martelo de Bater 0,10
Massa (kg) 3,73 2,95 3,94 10,00
Outros equipamentos e acessórios foram incorporados ao equipamento, de forma a possibilitar e facilitar os trabalhos em campo, como mostrado na Figura 15. Após os primeiros ensaios verificou-se a necessidade de construção de um extrator para o equipamento, pois o confinamento das barras pelo solo dificultava a extração manual. Tal extrator pode ser visto na Figura 18, e consiste em um guincho manual sobre um suporte metálico.
49
Figura 18 - Detalhe do guincho manual
3.1.2 Solo Norte Mato-grossense De acordo com os relatórios de sondagens de SPT compilados por Braga (2011) o solo da região de Sinop tem o perfil apresentado na Figura 19. O mesmo é formado por uma camada de argila siltosa mole ou silte argiloso até a profundidade aproximada de 13 metros, em algumas regiões da cidade encontra-se uma camada de cascalho com aproximadamente 1 metro, seguida de uma camada de silte arenoso ou areia siltosa até o limite prospectado, em torno de 30 metros.
50
Figura 19 - Perfil do solo de Sinop-MT
3.1.3 Critérios de Escolha dos Locais Analisados Os pontos para realização dos ensaios na cidade de Sinop-MT foram escolhidos baseados nos ensaios de SPT compilados por Braga (2011), de forma a compará-los com os resultados do DPL, e também visando obter uma representatividade do solo da região. Os locais selecionados para a realização dos ensaios foram os Locais 01, 02, 03, 04 e 05, apresentados na Figura 20.
51
Figura 20 - Pontos Selecionados em Sinop-MT
Fonte: GoogleTM Earth, 2012.
O Local 01 está localizado ao lado do Laboratório de Engenharia Civil da UNEMAT, nas coordenadas geográficas 11°51'9.12"S e 55°30'49.94"O. O Local 02 está localizado em um terreno ao lado do Residencial Green Ville, nas coordenadas geográficas 11°50'52.48"S e 55°31'41.02"O. O Local 03 está localizado próximo a construção do Residencial Itaverá, no Bairro Cidade Jardim, em Sinop-MT, nas coordenadas geográficas 11°51'20.93"S e 55°28'52.64"O. O Local 04 está localizado atrás do Centro de Eventos Dante de Oliveira, nas coordenadas geográficas 11°51'36.45"S e 55°28'46.42"O. O Local 05 está localizado em uma rua entre o Supermercado Atacadão e o Kartódromo Oswaldo Sobrinho, nas coordenadas geográficas 11°50'12.80"S e 55°29'8.08"O. Além destes também foi selecionado um local na cidade de Itaúba-MT (Local 06, apresentado na Figura 21. O Local 06 está localizado em Itaúba-MT, nas coordenadas 11° 0'35.16"S e 55°14'44.04"O. As coordenadas geográficas apresentadas foram obtidas a partir do software GoogleTM Earth (GOOGLE, 2012).
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Figura 21 - Pontos Ensaiados em Itaúba-MT
Fonte: GoogleTM Earth, 2012.
3.2 MÉTODOS Os ensaios foram realizados em campo conforme preconiza a AENOR (2008). Concentrou-se na medição do número de golpes e penetração da ponteira, não sendo realizada a medição da energia transferida à ponta, que é recomendada pela normativa a cada 6 meses. Também não foi realizada a medição do par de torsão, por não haver disponibilidade de equipamento adequado. O ensaio de DPL, ilustrado na Figura 22, é iniciado posicionando-se as barras com a ponteira e o coxim verticalmente, iniciando o ensaio a partir da superfície, com uma velocidade de 15 a 30 golpes por minuto. O aparelho deve ser cravado continuamente no terreno, através de barras com comprimento de 1 metro que são acopladas às demais, devendo-se registrar todas as interrupções superiores a 5 minutos. Faz-se então o registro do número de golpes necessários à penetração de 10 cm ( ) em planilha específica (Modelo disponível no ANEXO A), e no caso
de penetrações superiores a 10 cm, deve ser anotado o desvio (AENOR, 2008).
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Figura 22 - Execução do ensaio de DPL
b) Aquisição de dados
a) Execução do ensaio
3 ≤ ≤ 50
O intervalo normal de operação do DPL é dado por , sendo o critério de parada adotado quando o valor excede em 2 vezes o citado anteriormente (100 golpes para a penetração de 10 cm) ou o valor máximo (50 golpes) continuamente durante 1 metro de penetração (AENOR, 2008). A norma europeia também propõe o uso de água ou lama bentonítica para diminuir o efeito do atrito das barras com a lateral do furo, mas dada a proximidade do lençol freático e a dificuldade de tal operação, julgou-se desnecessário seguir tal procedimento. A partir do número de golpes ( ) são calculados o e posteriormente o de acordo com as Equações 5 e 6, respectivamente. Tem-se então o perfil de resistência de ponta do solo versus profundidade a partir do qual, podem-se fazer correlações com os parâmetros geotécnicos de interesse.
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4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 4.1 DADOS DO APARELHO Aplicando às equações 4, 5 e 6 os valores apresentados na Tabela 3, obtémse a Equação 15 para o cálculo de diretamente a partir de ·
= 0,602 + 3
(15)
Sendo: = valores de resistência de ponta para o penetrômetro em MPa;
= número de barras extensoras conectadas ao DPL, incluindo a barra que contém a ponteira e excluindo-se a barra que contém o coxim; = número de golpes necessário para a penetração de 10 cm.
Durante a realização dos ensaios, em especial os realizados nos Locais 5 e 6, o aparelho começou a apresentar problemas em suas conexões e soldas, como a ruptura do aço na interface macho-fêmea das roscas que as ligam, e a ruptura da solda na interface ponteira-barra (Figura 23). Isto ocorreu provavelmente devido a fadiga do material da rosca e a má qualidade da solda. Destaca-se que a solda em uma das ponteiras utilizadas rompeu-se logo no primeiro ensaio. Figura 23 - Ruptura da solda na interface ponteira-barra
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4.2 RESULTADOS DOS ENSAIOS O resumo das planilhas de campo obtidas nos ensaios de campo está mostrado no APÊNDICE A. Os resultados dos 4 ensaios realizados no solo de Sinop-MT e do ensaio realizado em Itaúba-MT são apresentados nas Figuras 24 e 25. Figura 24 - Valores de para o solo de Sinop-MT
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Figura 25 - Valores de para o solo de Itaúba-MT
Pode notar-se que os valores de
para o solo de Sinop-MT e Itaúba-MT
estão situados predominantemente entre 4 a 6 golpes, observando que em Itaúba alcançou-se o impenetrável, de acordo com o estabelecido pela AENOR (2008), na profundidade de 4,0 metros. Também foram encontrados valores maiores nas primeiras camadas (até aproximadamente 0,40 m), possivelmente devido a compactação causada pelo tráfego de cargas na superfície do terreno. Os resultados apresentados para apresentam-se próximos ao limite
mínimo de operação do aparelho, de 3 golpes, de acordo com a AENOR (2008), o
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que indica que o solo da região apresenta uma resistência baixa à penetração, em especial dada às dimensões reduzidas do aparelho e seu uso direcionado a solos de baixa resistência. A partir dos valores de podem ser calculados os valores de a partir da
Equação 15. As Figuras 26 e 27 mostram os valores de 02, 03, 04 e 05. Os valores de
, e para os Locais
para os Locais 03 e 04 foram obtidos em Braga
(2011) e os valores para o Locais 02 e 05 foram retirados dos ANEXOS B e C respectivamente. Na Figura 28 apresentam-se os valores de e para os Locais 01 e 06.
para tais locais, pois não havia resultados
Não são apresentados os valores de de ensaios de SPT disponíveis nestes.
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Figura 26 - Comparação entre os valores de , e , para os Locais 02 e 03
a) Valores de , e para o Local 02
b) Valores de , e para o Local 03
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Figura 27 - Comparação entre os valores de , e , para os Locais 04 e 05
a) Valores de , e para o Local 04
b) Valores de , e para o Local 05
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Figura 28 - Valores de e para os Locais 01 e 06
a) Valores de e para o Local 01
b) Valores de e para o Local 06
Observa-se que o DPL apresenta uma resposta adequada ao solo, demonstrando curvas de penetração com forma similar à do ensaio de SPT. Verificase ainda que o DPL apresenta melhor resolução de variações e lentes de diferentes resistências no solo, o que é de grande valia devido à baixa capacidade de carga dos solos encontrados na região. Quanto ao dimensionamento de fundações pode-se utilizar o método proposto por Nilsson e Cunha (2004) para a obtenção do valor de tensão de ruptura de ponta em estacas, não sendo possível calcular-se a parcela referente ao atrito lateral já que não foi medido tal parâmetro. Para o dimensionamento de sapatas pode ser utilizado o método proposto por Nilsson (2008) através da Equação 11. A partir das
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Equações 13 e 15, obtém-se a Equação 16 para o cálculo da tensão de ruptura de ponta em fundações profundas a partir do DPL construído.
= 0,602 + 3 . .
(16)
Sendo: = valores da tensão de ruptura de ponta em fundações profundas;
= número de barras extensoras conectadas ao DPL, incluindo a barra que contém a ponteira e excluindo-se a barra que contém o coxim; = é o número de golpes necessário para a penetração de 100 mm;
= fator empírico para correlação com o tipo de solo, obtido através da Tabela 1; = fator empírico para correlação com o tipo de estaca, obtido através da
Tabela 2. Os valores
para os locais ensaiados, calculados através da Equação 16,
Erro! Fonte de referência não encontrada.considerando estacas pré-moldadas cravadas em solo argiloso poroso e a argila porosa colapsível de Brasília para a obtenção dos parâmetros e e estão apresentados na Figura 29, os valores de
calculados a partir da Equação são apresentados na Figura 30. Pode ser observado que os resultados até a profundidade ensaiada para estão na faixa de 220 kPa e de 50 kPa para .
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Figura 29 - Valores de para os solos ensaiados
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Figura 30 - Valores de para os solos ensaiados
De maneira geral o uso do DPL mostrou-se bastante prático, em especial devido às dimensões reduzidas do equipamento, reduzindo significativamente os custos de mobilização, e alcance suficiente para a prospecção visando o emprego de fundações superficiais e profundas comuns em obras da região (sapatas e estacas tipo broca manual). A operação do aparelho é bastante simples, podendo o ensaio ser realizado com rapidez por um operário e um ajudante. Um ensaio típico, com avanço até 7 metros foi realizado em média em 1 hora e 30 minutos, revelando um potencial de cerca de 6 furos por dia.
64
A desvantagem do aparelho relativamente ao SPT está na classificação do solo e na determinação do nível d’água. A observação do tipo de solo só é possível através da análise do material que fica impregnado na barra quando o aparelho volta à superfície, e a identificação do nível d´água observada a partir da presença de solo saturado aderido as paredes das hastes. O material e/ou método utilizado nos acoplamentos entre as barras demonstrou fragilidade no decorrer da utilização, dificultando os trabalhos em campo. Assim, durante a realização os ensaios foi necessária a utilização de barras sobressalentes, fazendo a marcação dos 10 cm in loco . O efeito de fadiga entre as conexões pode ter ocasionado danos às mesmas, pois a um dado momento a utilização do aparelho tornou-se inviável sem o ajuste do motivo de tais rupturas. Além disso, durante a realização da prospecção no Local 05, ocorreu o desacoplamento entre a conexão, resultando na perda da primeira barra com a ponteira e uma barra extensora. Em casos assim a recuperação das peças é dificultada devido ao baixo diâmetro do furo e a grande profundidade. Portanto, é necessário haver ponteiras e barras sobressalentes, evitando interrupções no ensaio.
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5 CONCLUSÕES Com a realização deste trabalho pode-se concluir que: •
•
•
O uso do DPL mostrou-se bastante prático, em especial devido às dimensões reduzidas do equipamento, reduzindo significativamente os custos de mobilização, e alcance suficiente para a prospecção visando o emprego de fundações superficiais e profundas corriqueiras em obras da região (sapatas e estacas tipo broca manual); A operação do aparelho se mostrou bastante simples, podendo o ensaio ser realizado com rapidez por um operário e um ajudante. Um ensaio típico, com avanço até 7 metros foi realizado em média em 1 hora e 30 minutos, revelando um potencial de cerca de 6 furos por dia. A resposta do aparelho mostrou-se adequada à do SPT, verificando-se melhor resolução de variações e lentes de diferentes resistências, o que é um fato de grande valia devido à baixa capacidade de carga dos solos encontrados na região.
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6 SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS Com base nos estudos desenvolvidos ao longo desta monografia, são recomendados os seguintes tópicos para futuras pesquisas: •
•
•
•
•
•
A implementação da medição de torque em conjunto ao ensaio de DPL, conforme proposto pela AENOR (2008). A realização de provas de carga para a correlação dos parâmetros de resistência e deformabilidade com os resultados do DPL. Sugere-se estudar a variação sazonal da sucção e umidade do, de forma a verificar possíveis interferências na resistência do mesmo. Sugere-se o estudo do ensaio Conde de Penetração Dinâmica (Dynamic Cone Penetration - DCP) para a verificação do solo superficial em fundações na região norte mato-grossense. Sugere-se o monitoramento do comportamento de fundações superficiais e profundas na região mato-grossense, formando um banco de dados a ser utilizado na previsão de recalques. Sugere-se o aprimoramento do aparelho aqui construído, com a utilização de barras ocadas, que proporcionam maior eficácia ao mesmo, como foi comprovado por Souza, Santos e Conciani (s. d.).
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APÊNDICE A – Resumo dos Ensaios de DPL Realizados
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ANEXO A – Relatório de Campo para Ensaio de DP
Fonte: AENOR (2008)
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ANEXO B – Relatórios de SPT do Local 02
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ANEXO C – Relatórios de SPT do Local 05
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