SPT - Standard Penetration Test (FCTUC)

Mestrado

Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica Projecto Assistido por Ensaios I

SPT – Standard Penetration Test

Carlos Rodrigues

O ENSAIO SPT É A FERRAMENTA IN SITU DE INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA: • MAIS POPULAR • MAIS ROTINEIRA • MAIS ECONÓMICA Existem normas nacionais com características diferenciadas, as quais no entanto têm como base um padrão internacional de referência: IRTP – International Reference Test Procedure

Pancadas repetidas do martelo de 63,5 kg de uma altura 76,2 cm

Furo de sondagem trado de rotação Amostrador meia-cana: ∅ext = 50 mm ∅int = 35 mm L = 760 mm

15 cm

15 cm

15 cm

Amostra colhida em 3 avanços sucessivos

Batente

prEN ISO 22476-3:2002

N = medida do nº de pancadas para cravar o amostrador 300 mm. Caso se atinja N=50 o ensaio é terminado. No caso de rochas brandas pode incrementar-se N=100.

A EXECUÇÃO DE ENSAIOS SPT: O ensaio SPT é uma medida de resistência dinâmica conjugada com uma sondagem de simples reconhecimento

ENSAIOS COM SPT – Standard Penetration Test DISPOSITIVO DE ENSAIO

Peça de união às varas

∅ 51 mm

152 mm

Orifício de escape (∅ 13 mm)

Válvula de esfera

AMOSTRADOR NORMALIZADO

Pilão de disparo automático de 63,5 kg (tipo “Monkey”) Batente Ligação às varas de 32 mm

Secção central bipartida

457 mm

Vara normalizada

Amostrador em meia-cana Boquilha 19 mm

75 mm 1.6 mm ∅ 35 mm

Boquilha cortante Cone de 60º aplicável em seixos

Vantagens • Equipamento e procedimentos simples • Obtém-se amostra (perturbada) • Existência de uma vasta experiência e correlações

Desvantagens • Dependência do operador, da técnica de furação, tipo de equipamento, etc… • Equipamento e procedimentos não normalizados internacionalmente • Problemas diversos em operação abaixo do NF FACTORES QUE INFLUENCIAM NSPT • Tipos de solos sujeitos ao ensaio (e0, Ø, unif., u, ang., Cim., Idade, σv) • Perturbação criada pelas operações de furação • Tipos de procedimentos e equipamentos de ensaio

Preparação do furo de sondagem A base do furo deve ser limpa e essencialmente não perturbada; Não devem ocorrer gradientes ascendentes na pressão da água; Quando são utilizados bits de furação estes devem ter descarga lateral; O revestimento dos furos não deve ultrapassar o ponto do início do ensaio; Os ensaios feitos abaixo do NF devem ter cuidados adicionais: • Não deve entrar água pelo fundo do furo (piping); - NA no furo acima do NF; - utilização de lama bentonítica;

Tipos de furação Furação com trépano e limpadeira Furação a trado

FURAÇÃO COM TRADO OCO

Martelo do SPT

160 mm

Vara de sondagem ∅ =32 mm 560 mm

prEN ISO 22476 75 mm

∅=50.5 mm

35.2 mm

820 mm Massa do amostrador – 7,585 kg

Mvara < 10 kg Defl < 1:1200 Verificação em cada 20 ensaios

Referência

Tipo de vara

Diâmetro da vara (mm)

Módulo da secção Ze (m3×106)

Massa da vara (kg/m)

IRTP (1988)

-

40.5 50.0 60.0

4.28 8.59 12.95

4.33 7.23 10.03

BS 1377

AW BW Sólida quadrada

43.6 54.0 31.8 (1 ¼ in.) 38.1 (1 ½ in.)

5.10 8.34 5.33 9.22

4.57 7.86 7.89 11.37

DIFERENÇAS DE PROCEDIMENTOS E EQUIPAMENTOS Sistema manual (ex. ABNT 6484)

Sistema automático (ex. ASTM 1586)

• Massa do martelo 65 kg • Levantamento manual c/ corda de sisal • Queda livre de 75 cm de altura • Obrigatório o coxim de madeira • Varas tipo Schedule 80 com manga de ligação • Amostrador tipo RaymondTerzaghi (50 mm × 36 mm)

• Massa do martelo 63,5 kg • Levantamento automático do martelo • Queda livre de 76 ± 2,5 cm de altura • Contacto aço/aço – martelo/batente • Varas parede grossa c/ união pino/caixa sem manga • Amostrador bipartido c/ ponteira de ∅=38 mm de corpo e bisel de 36 mm

De modo a ser possível a comparação de resultados obtidos de NSPT, em diferentes países ou regiões, é necessário normalizar os resultados do ensaio: • Controlo da energia de cravação; • Correcção para o nível de tensões em que o ensaio é realizado.

A energia nominal transferida ao amostrador é diferente da energia potencial teórica disponibilizada pela queda livre do martelo. Para um dado solo o valor NSPT é inversamente proporcional à energia aplicada ao amostrador .

N1 E2 = N 2 E1 A norma internacional propõe a correcção da energia para 60 % da energia teórica (E60), pelo que:

E N 60 = Nmedido transferido 0,60

Eteor = mgh

PERDAS / EFICIÊNCIA ƒ Forma de levantar e soltar o martelo; ƒ Massa do batente; ƒ Comprimento e composição das varas; ƒ Energia de inércia absorvida pelas varas, pelos acoplamentos e pelo batente; ƒ Energia dissipada pelo ruído e calor devido ao impacto do martelo no batente; ƒ Energia gasta na flexão das varas devido ao impacto (varejamento); ƒ Redução da energia por h < que 762 mm; ƒ Perdas de energia devido ao atrito desenvolvido entre os vários componentes do martelo, ou entre a corda de elevação, a roldana e o cabrestante. Uma vez atingida a composição das varas, a perda de energia até ao amostrador parece ser desprezável.

Instrumentação do equipamento SPT 1. 2. 3. 4. 5. 6. F dr

Batente Vara instrumentada Vara sondagem Extensómetro Acelerómetro Terreno Força Diâmetro da vara

Detalhe dos extensómetros Detalhe da célula de carga

Detalhe dos acelerómetros

Medição energética Valor da tensão incidente (1) r = a/A; a = área da vara A = área do martelo

Valor da tensão máxima (2)

Corte por tracção

ρ – densidade do material c – vel. de propagação da onda V0 – vel. de impacto do martelo

t = 2l /c

(3)

SCHMERTMANN & PALACIOS (1979) mostraram que quanto mais curto é o martelo, maiores as tensões iniciais e mais suave é a forma da onda de compressão que se propaga nas hastes.

Medição energética A energia transferida ao topo das varas do SPT (Ei) é dada por: F(t), v(t) - registos da força e velocidade em função do tempo

t

Ei = ∫ F(t ) v(t )dt t =0

Método EFV

Inicialmente verificaram-se dificuldades na utilização dos acelerómetros, pelo que a avaliação da energia transferida às varas fez-se com recurso à admissão de algumas hipótese simplificadoras: Verifica-se uma relação de proporcionalidade entre F e v (desde que não haja reflexão da onda)

σ=

Ev c

v=

cσ cF = E Ea

Método F2 ou EF2

Método E2F

c t 2 Ei = ∫ F (t )dt Ea t = 0

c t = 2l / c 2 Ei = ∫ F (t )dt Ea t = 0

Medição energética Cálculo da força F transmitida às varas:

f (t) = Aa Ea εm (t) εm(t) = def. axial medida Aa = área da secção da vara Ea = mód. de elasticidade

Cálculo da energia t' E ( t ' ) = ∫0 F(t )V(t )dt E que passa nas varas: Energia do martelo:

E med

1 n = ∑E n 1

Correcções ao valor NSPT Efeito

Variável

Termo

Valor

Tensão efectiva

σvo'

CN

(Pa/σvo')0.5 mas < 2

Relação de energia

Safety Hammer Donut Hammer Automatic Hammer

CE

0.6 a 0.85 0.3 a 0.6 0.85 a 1.0

Diâmetro do furo

65 a 115 mm 150 mm 200 mm

CB

1.00 1.05 1.15

Método de amostragem

Amostrador normalizado sem linner

CS

1.0 1.1 a 1.3

Comprimento do trem de varas

10 m a 30 m 6 a 10 m 4a6m 3a4m

CR

1.0 0.95 0.85 0.75

Tamanho das partículas

(D50) da areia em mm

CP

60 + 25 log D50

Idade

Tempo (t) em anos após o depósito

CA

1.2 + 0.05 log (t/100)

Sobreconsolidação

OCR

COCR

OCR0.2

1

Obtain by energy measurement per ASTM D4633

Correcções do valor SPT-N ‰ Nmeasured = Raw SPT Resistance (ASTM D 1586). ‰ N60 = (ER/60) Nmeasured = Energy-Corrected N Value where ER =

energy ratio (ASTM D 4633). Note: 30% < ER < 100% with average ER = 60% in the U.S. ‰ N60 ≈ CE CB CS CR Nmeas = Estimated corrected N ‰ (N1)60 = CN N60 = Energy-Corrected SPT Value normalized to

an effective overburden stress of one atmosphere: (N1)60 = (N60)/(σvo’)0.5 with stress given in atm. (Note: 1 atm = 1 bar = 100 kPa).

Correcções no ensaio SPT Efeito do estado de tensão “in situ” Skempton (1986) reconhecendo que a resistência à penetração aumenta com a profundidade, e portanto com σ’v0, para uma dada densidade, e que aumenta em função do quadrado da densidade relativa, para σ’v0 constante, propôs a seguinte correlação.

σ' ⎞ ⎛ N 60 = Dr2 ⎜ a + b ⋅ Cα v ⎟ Skempton (1986) 100 ⎠ ⎝ a, b = factores dependentes do tipo de material 17 < a < 46, 17 < b < 28 cα = factor dependente da história das tensões 3 < OCR < 10, ⇒ 1.4 < Cα < 2.4; se OCR = 1 ⇒ Cα = 1

(N1 )60 = Er × NSPT × CN × CNK 60

CN = correcção da tensão efectiva de sobrecarga CNk = correcção devida ao efeito da história das tensões

Correcção devida ao estado de tensão efectiva de sobrecarga, CN σ' ⎞ ⎛ N 60 = Dr2 ⎜ a + b ⋅ Cα v ⎟ 100 ⎠ ⎝ N CN = 1 = Nσ v

Considere-se o solo NC

Dr2 (a + b ) a/b +1 = σ' v ⎞ a / b + σ' v / 100 0,6 1

L ⎞ ⎛ 1 . 25 ⎜ ⎟ B ⎟ fs = ⎜ L ⎜⎜ + 0.25 ⎟⎟ ⎝B ⎠

2

2) Para uma espessura limitada da camada compressível (Hs) abaixo da fundação: H ⎛ H ⎞ fl = s ⎜⎜ 2 − s ⎟⎟ Z1 ⎝ Z1 ⎠ 3) Para avaliar assentamentos para além de três anos após o final da construção:

t⎞ ⎛ ft = ⎜ 1 + R 3 + R t log ⎟ 3⎠ ⎝ R3

Rt

Carregamento estático

0.3

0.2

Carregamento variável

0.7

0.8

Tensões admissíveis em solos coesivos Correlações entre NSPT e a tensão admissível de solos coesivos, Milititsky e Schnaid (1995).

Descrição (consistência)

NSPT

Dura Muito rija Rija Média Mole Muito mole

> 30 15 – 30 8 – 15 4 – 8 2 – 4 < 2

Provável tensão admissível (kN/m2) B = 0.75 m

B = 1.5 m

B = 3.0 m

500 250 – 500 125 – 250 75 – 125 25 – 75

450 200 – 450 100 – 200 50 – 100 < 50 a estudar

400 150 – 400 75 – 150 25 – 75 -

ENSAIO SPT COM MEDIÇÃO DO TORQUE – SPT-T

Ranzini (1988) O procedimento do ensaio: 1) retirada do batente, após a cravação do amostrador normalizado no ensaio SPT, 2) na colocação de um disco centralizador no furo de sondagem 3) acoplagem de um pino adaptador ao torquímetro às varas de sondagem 4) Após a ligação do torquímetro às varas de sondagem procedese à aplicação do torque, medindo o momento de torção máximo necessário à rotação do amostrador, bem como o valor residual do momento torsor.

Furo SPT e trem de varas

Colocação do disco centralizador

Colocação do pino adaptador

Acoplagem do torquímetro e aplicação do torque

O registo do momento torsor máximo, necessário à rotação do amostrador é normalmente obtido, logo após a aplicação da rotação ao conjunto e antes de se completar a primeira volta.

O registo do momento de torção residual, que permanece constante após o rompimento do atrito lateral solo-amostrador, é obtido durante a rotação ininterrupta do torquímetro, quando o torque permanecer constante.

É normalmente recomendado que a leitura seja feita quando completada a segunda volta do ensaio, sem se interromper a rotação. A velocidade de rotação recomendada corresponde a cinco voltas por minuto.

Controlo da capacidade dos torquímetros Variação de NSPT

Capacidade do torquímetro (N.m) Máxima

Mínima

0 – 10

265

59

11 – 30

471

98

30 – 50

785

167

Deve evitar-se a utilização de torquímetros com registos superiores a 400 N.m pois momentos superiores a esse valor, danificam as roscas das varas. De modo a facilitar a medição do torque máximo é aconselhável a utilização de torquímetros com ponteiro de arraste.

Vantagens do SPT-T Ranzini (1994), a medida estática não é afectada pelos factores intervenientes no SPT, tais como: ƒ erros na contagem do número de pancadas, ƒ cadência das pancadas, ƒ altura de queda do martelo, ƒ massa do martelo, ƒ peso e rigidez das varas, ƒ atritos vários, Enquanto o valor de NSPT é sujeito a variações significativas dependentes do equipamento de ensaio utilizado, a medição do torque envolve uma menor variabilidade. Apenas os erros relativos ao estado da parede lateral do amostrador, à velocidade de aplicação do torque e os erros de leitura, sistemáticos e ocasionais, podem influenciar as leituras. As vantagens da medição adicional do torque ultrapassam os aspectos mais desvantajosos deste trabalho suplementar. A realização da leitura relativa à execução do torque é extremamente rápida (< 10 min.). Para além de uma medição dinâmica da resistência (NSPT), é possível a obtenção de uma medida estática da resistência relativa ao torque (TSPT).