Standard Penetration Test SPT

Transcrição

Standard Penetration Test
SPT
Fernando Schnaid
Universidade Federal do Rio Grande do Sul
References
9State-of-the-Art reviews:
de Mello (1971)
Nixon (1982)
Decourt (1990)
Clayton (1995)
9 ISSMGE: IRTP (Decourt et al, 1988).
1st International Symposium on Penetration
Testing
ENSAIO SPT

Standards
Equipment & Procedures
Factors affecting NSPT
Measurements & Corrections
Energy
Mean stresses
Dynamic Penetration Test Interpretation:
Energy and wave propagation
Standard Penetration Test

Why?

Applications:

most popular
easy to use
cheap
predition of soil properties
shallow and deep foundations
liquefaction potential
Standards
1930: first experience in the USA
1958: 1° attempt to standardised
1988: ISSMGE - IRTP
1991/EUA: ASTM 1586-99
1990/British: BS 1377-9
1994/Eurocode 7
2001/Brazil: NBR 6484

Test Procedure
EQUIPMENT
Equipment
75cm
Types of hammer
- wood
cussion
- anvil
A: Brazilian Donut A
C: USA Donut
E: USA Safety
F: Booros Co Ltd Darp
G: British automatic
H: Japanese automatic
B
F
C
G
D
H
E
I
SENTIDO DA
CORRENTE
QUEDA 2
hq
PINO
s1
1
2
3
4
s
5
n
QUEDA n
QUEDA 1
Automatic hammer
Measurements and corrections

Energy
Correct to a reference
energy efficiency: 60% (N60).
International

Brazilian average energy:
72%.
N SPT ⋅ EnergiaAplicada
N 60 =
0,60
?
NSPT ⋅ 0,72
N60 =
= 1,2 ⋅ NSPT
0,60
Schmertmann & Palacious (1972), Seed et al (1986), Skempton
(1986)
Observation: verify the energy for which empirical
interpretation methods have been devoloped
Donut
Energia quatidade
(%)
ensaios
53
4
48
8
48
43
23
8
45
Safety
energia
quatidade
(%)
ensaios
72
9
52
55
52
9
24
5
62
8
55
Notas
Referência
Ensaios de
laboratório
Várias
medidas em
campo
Kovacs & Salomone
(1982)
Kovacs & Salomone
(1982)
Schmertmann &
Palacious (1979)
Schmertmann &
Palacious (1979)
Robertson et al (183)
Robertson et al (183)
Valores
típicos de
campo
Eficiência (energia)
Massa da
cabeça de
bater
(kg)
Acionamento manual
Média
(%)
Número de
ensaios
Acionamento automático
Desvio
padrão
(%)
1.2
3.6
14.0
66.7
51
2.73
Média
(%)
Número de
ensaios
Desvio
padrão
(%)
78.5
13
2.04
75.5
195
2.95
66.4
23
1.70
Diaphragm wall:
Shopping Centre
Moinhos de Vento:
Porto Alegre
A A
A
y
x
13

Stress level
( N 1 ) 60 = C N (N )60
Sondagens – Shopping Moinhos de Vento/Porto Alegre - RS

Nível de Tensão

Solos granulares :
Referência
N spt ↑ Z ↑ logo : N spt varia com p'
Fator de correção CN
σ’v
Skempton (1986)
CN =
200
100 + σ 'v
kPa
Skempton (1986)
CN =
300
200 + σ 'v
kPa
Peck, Hamson &
Thornburn (1974)
Liao & Whitman
(1985)
Liao & Whitman
(1985)
⎛ 2000 ⎞
C N = 0.77 log ⎜⎜ ' ⎟⎟
⎝ σv ⎠
Skempton (1986)
Clayton (1993)
Robertson et al
(2000)
CN =
100
σ 'v
⎡ (σ ' ) ⎤
C N = ⎢ v ' ref ⎥
⎣ σv ⎦
CN =
CN =
kPa
NC Sand
kPa
NC Sand
-
k = 0,4 a 0,6
k
170
70 + σ 'v
kPa
143
43 + σ 'v
kPa
⎛ σ vo'
C N = ⎜⎜
⎝ σ atm
⎞
⎟⎟
⎠
Observação
Seed et al (1983)
Dr = 40 a 60%
NC Sand
Seed et al (1983)
Dr = 60 a 80%
NC Sand
OC Sand
OCR = 3
OC Sand
OCR = 10
−0.5
kPa
NC Sand
( N 1 ) 60 = C N (N )60

Stress level

Granular soils:
N spt ↑ Z ↑
logo : N spt varia com p'
( N 1 ) 60 = C N (N )60
SONDAGEM:
COTA: 2,114
F13
Revestimento diam. 2,5"
ProfunNível
didade
Cota
d'água
da
em
Amostrador diam. Interno 34,8 mm
Gráfico
Amostrador diam. externo 50,8 mm
Amostra Golpes
camada relação
(m)
Penetração
o
o
Peso: 65 Kg
2 e3
0
RN
13
1
2
4
2
3
0
3
4
0
4
5
0
5
6
0
6
7
0
7
0
8
5
9
10
12
10
11
20
11
12
19
12
13
27
13
14
28
14
15
37
15
1
1,60
9
16
7,95
9,30
16
Profundidade do nível d'água (m)
INICIAL 0,00
FINAL
20
30
40
50
Altura de Queda: 75 cm
Classificação do Material
0
0
8
10
16/02/94
Engenheiro Responsável:
35 16
Simbologia do gráfico
SPT 30cm finais
Aterro, argila orgânica plástica com areia, cor
variegada, consistência rija.
Sedimento argiloso orgânico plástico, cor preto,
consistência muito mole.
Sedimento argiloso orgânico plástico, cor cinza,
consistência média a rija.
Sedimento arenoso, granulometria fina, cor
amarela a cinza, medianamente compacto a
compacto.
Observações:
FIRMA C
CLIENTE:
Recanto de Portugal
OBRA:
LOCAL:
F7 / 72
SONDAGEM:
REF.
DATA:
COTA:
-0.45
Revestimento diam. 76,2 mm
ProfunNível
didade
Cota
d'água
da
em
camada relação
(m)
9/1/1972
Penetração
Amostrador diam. Interno 34,9 mm
Gráfico
Amostra Golpes
2oe3o
0
RN
10
20
30
Amostrador diam. externo 50,8 mm
Peso: 65 Kg
Altura de Queda: 75 cm
40
50
Classificação do Material
0
0
0
1
2
1
0
2
3
0
3
4
0
4
5
0
5
6
0
6
Argila siltosa orgânica, com pouco areia fina e fragmentos de
7
0
7
marisco, cinza, escura, muito mole.
8
0
8
9
0
9
10
0
10
11
0
11
12
0
12
13
0
13
0
14
0
15
0
16
17
7
17
18
5
18
19
30
19
20
21
20
28
21
25
22
2
14
2
14.5
15
16
21
22
16
21
22.3
Profundidade do nível d'água (m)
INICIAL 1,00
16/08/72
FINAL 0,3
20/08/72
Engenheiro Responsável:
Simbologia do gráfico
linha azul SPT 30cm finais
Aterro- areia fina, com material variado, fofa.
Areia fina, argilosa, com frag. de marisco, cinza,pouco compacta
Areia fina, pouco argilosa, com frag. de marisco, cinza, compacta
Areia fina,pouco argilosa,frag. de marisco,cinza,muito compacta
LIMITE DE SONDAGEM
Observações:
SONDAGEM SPT PRÉ-ESCAVAÇÃO
UFRGS - Universidade Federal do Rio Grande do Sul
CLIENTE:
OBRA:
LOCAL:
SONDAGEM:
Nível
Não localizado
d'água
Profundidade
da
camada
(m)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
SHOPPING MOINHOS DE VENTO
REF.
DATA:
COTA:
S1
Penetração
Nº de Golpes para 30cm
Gráfico
1º e 2º
2º e 3°
0
10
20
RS.7660/7
Jul-98
11,90 m
Observações:
30
40
0
0
4
27
22
25
11
24
40
11
25
23
9
9
10
14
12
15
12
15
16
18
32
28
0
4
27
30
35
26
29
40
43
30
31
12
12
16
20
17
17
18
19
21
45
42
0,20 cm de piso de concreto
Até 1,5m aterro de argila siltosa
c/ areia fina média, vermelha,
mole.
5
De 1,5 a 8m argila siltosa,
vermelha escura, dura
10
De 8 a 11m silte argiloso c/ areia
fina morrom claro, duro
De 11 a 15m silte argiloso c/
areia de textura variada, rijo a
duro
15
20
De 15 a 20m silte argiloso c/
areia de textura variada, micaceo
variegado, rijo a duro
De 20 a 22,39m argila siltoda c/
areia de textura variada, micacea
cinza, dura - solo residual
25
30
Interpretation

Characterization
Classification;
Soil properties:
Granular;
Clay;
Cohesive-frictional soils: hard soils, residual
Soft rocks
Classification
(N1)60 0 - 3
Sand
(N)60
Clay
3–8
Loose
8 – 25
Medium
25 – 42
Dense
42 – 58
Very dense
0–4
Very soft
4–8
Soft
8 – 15
Firm
15 – 30
Stiff
30 – 60
Very stiff
> 60
(N)60
Residual soils*
Very loose
Hard
0–5
Completely weathered
5 – 10
Very weathered (lateritic)
10 - 15
Weathered
> 15
Moderately weathered
(saprolitic)
(N)60
Weak rock
0 – 80
Very weak
80 – 200
Weak
modified from
Clayton (1993)
Classification

(G
0
Go/N60 vs (N1)60
pa )
N 60
= αN 60
pa
= α (N1 ) 60
σ vo′
Schnaid (1999) e
Schnaid et al (2004)
Soil propertiese

Granular soils

Cohesive soil
φ & E
Su & E

Cohesive-frictional
φ +c

Soft rocks
σc & E
Effective stress – no Δu
Nspt reflects stiffness and strength
Total stress – Δu ≠ 0
Disturbed soil -
N spt < 5
Hard soils (including residual soils)
Composit materials (lime, fibers…)
Robust test
Nspt reflects stiffness and strength
Is one measurement sufficient? (Mayne, 2001)
CLAY

Su= undrained shear strength;
γg= unit weight;
Ir = rigidity index;
φf = friction angle;
OCR = over-consolidation;
Ko = earth pressure coefficient
eo= voids ratio;
Vs= shear wave velocity;
E = Young’s modulus;
Cc = consolidation coefficient;
qb= pile bearing capacity;
K = permeability;
Qb= ultimate stress
SAND
NSPT

dr= relative density;
γg= unit weight;
LI= liquefaction index;
φf = friction angle;
Su= undrained shear strength;
eo= voids ratio;
Ko = earth pressure coefficient;
Vs= shear wave velocity;
E = Young’s modulus;
Ѱ = dilation angle
qb= pile bearing capacity;
Granular soils

Friction angle –
N spt → Dr → φ
Cubrinovski & Ishihara (1999)
( N1 ) 60
11.7
=
Dr2
(emax − emin )1.7
Gibbs e Holtz (1957)
⎛
⎞
N
⎟⎟
Dr = ⎜⎜
⎝ 0,23 ⋅ σ 'v 0 +16 ⎠
Skempton (1986)
⎛
⎞
N
⎟⎟
Dr = ⎜⎜
⎝ 0,28 ⋅ σ 'v 0 +27 ⎠
0,5
0,5
Granular soils

Friction angle –
N spt → Dr → φ
Granular soils

Friction angle –
N spt → Dr → φ
Bolton (1986)
φ p' − φcv' = m[Dr (Q − ln p ' ) − R ]
Mello (1971)
Meyerhof (1956)
(1,49 − Dr ) tan φ ' = 0,712
φ = 30° + 15 Dr - areias puras
φ = 25° + 15 Dr - areias com mais de
5% de finos
φ 'cvp
Granular soils

Friction angle –
N spt → Dr → φ
Bolton
Bolton
Robertson &
(1979)
(1979)
Hughes (1986)
Dense well-graded sand or gravel
55o
35o
40o
Uniform medium dense/coarse sand
40o
32o
34-37o
Dense sandy silt with some clay
47o
32o
Fine sand and sandy-silty-clay
35o
30o
Clay-shale, or partings
35o
25o
Clay
25o
15o
Material
30-34o
Granular soils

N spt → φ
Friction angle –
Mayne (2006)
⎤
⎡
N 60
φ ≈ arctan ⎢
⎥
'
12
.
2
(
σ
/
σ
)
+
vo
atm ⎦
⎣
0.34
'
p
Hatanaka & Uchida (1996)
φ p' ≈ 20 o + 15.4( N1 ) 60
Teixeira (1996)
φ ' = 20 * N + 15 °
Mello (1967, 1971)
2.4 ⎡ 2 ⎛ π φ ⎞ πtgφ ⎤
φ ⎞ πtgφ
2⎛π
SPT = 4.0 + 0.015 ∗
tg ⎜ + ⎟e − 1⎥ + σtg ⎜ + ⎟e ± 8.7
⎢
tgφ ⎣ ⎝ 4 2 ⎠
⎝ 4 2⎠
⎦
Granular soils
Areia Fina
Areia Grossa
Conjunto
As retas fornecem os valores de Ø
SPT
70
45
°
50
°
50
°
60
50
40
°
40
45
°
40°
30
40°
4 0°
20
40 °
30° 30°
35 °
10
30 °
25°
25 °
0
5
10
15
25°
20
25
q (t/m²)
30
de Mello (1971)
Granular soils

Friction angle –
N spt → φ
Granular soils

Stiffness - large strains, high shear stresses,
insensitive to stress history.
(Jamiolkowski et al., 1991)
Uncemented unaged sands (after
Eslaamizaad & Robertson, 1997
Western Australia sands
(after Schnaid et al,2004)
Classification

(G
0
Go/N60 vs (N1)60
pa )
N 60
= αN 60
pa
= α (N1 ) 60
σ vo′
Schnaid (1999) e
Schnaid et al (2004)
Granular soils

Stiffness - large strains, high shear stresses,
insensitive to stress history
G 0 ( MPa ) = a.( N 60 )
b
Upper boundary: uncemented sands
Schnaid (1999)
e Schnaid et al
(2004)
G0 = 450 3 N 60σ v′ p a2
Lower boundary: uncemented sands
G0 = 200 3 N 60σ v′ p a2
Granular soils

Stiffness - large strains, high shear stresses, insensitive to stress
history.
Stroud (1989):
Lower bound
Resistência à
penetração N60
4
10
30
60
E'
média
1,6 - 2,4
2,2 - 3,4
3,7 - 5,6
4,6 - 7,0
N 60
= 1( MPa )
E/N60 (MPa)
Limite inferior
0,4 - 0,6
0,7 - 1,1
1,5 - 2,2
2,3 - 3,5
Limite superior
3,5 - 5,3
4,6 - 7,0
6,6 - 10,0
8,9 - 13,5
Granular soils
Stroud (1988)
Clayton (1993)
Cohesive soils

Undrained shear strength
- (1971):
Mello
Su/N ranges from 0,4 a 20 (sensitive clay);
Su stress path dependent
Décourt (1989): Su = 10,5 N60 (kN/m2);
Stroud (1979)
Pre-consolidated non-sensitive: Su = 4,5 N60 (kN/m2)

N spt → S u
SOLOS COESIVOS

Undrained shear strength
N spt → S u
Cohesive-frictional materials
( )
Go
= S p'
F (e)
n
G0 = 1200 3 N 60 σ′v pa2
(2.17 − e) 2
F (e) =
1+ e
G0 = 200 3 N 60 σ′v pa2
Schnaid et al, (2004)
G0 = 450 3 N 60σ′v pa2
Cohesive-frictional materials

Young modulus - E
E = aN (MPa )
a = 1,0 − 1,6
(Barksdale e Blight, 1997).
E = bN c (MPa)
b = 0,6 c = 1,4
(Sandroni, 1991).
(Jones e Rust, 1989)
Soft rocks
Unconfined compression
strength
Degree of weathering
N60 < 200
σ c = 10 N 60 (kPa)
E ' = 0.5 − 2.0 N 60 ( MPa )
Stroud (1988)
Stroud (1988)
Energy concepts
Principles of soil dynamics
:
New interpretation
Wave propagation analysis
∞
E = ∫ F (t ) V (t ) dt
0
Timoshenko & Goodier, (1970)
Osciloscópio
Bateria
Condicionador
e Amplificador
com 3 canais
Micro Computador com Placa
A/D PCM-DAS 16D/16 da
ComputerBoards para 350kHz
Borneira
3.34
2.50
HASTE DE SONDAGEM
0.46
2.43
3.34
30.00
FURO PARA PARAFUSO 6mm
CÉLULA DE CARGA
10.00
HASTE DE SONDAGEM
2.69
3.34
4.26
2.43
3.34
3.15 2.50
Acelerômetros Brüel & Kjaer
Modelo = 4375S
(indicado para altas freqüências)
Faixa de aceleração 100μG a 10 kG
Danifica com 16kG
Extensômetros
Marca Excel
Tipo PA-06-125TG-350-LEN
Roseta dupla 90o
saida
A
entrada
B
saida
C
entrada
D

Mechanism of dynamic penetration
Finite difference analyisis - D’Alembert’s principle
f I (t ) + f D (t ) + f S (t ) = f (t )
where: ƒΙ = inertial forces;
ƒD = damping forces
ƒS = reconstitutive forces

Mechanism of dynamic penetration
MARTELO
Reação (R)
r
:
:
4
3
Vo
A
EA
Q
B
2
i=1
mi
j=1
mj
Ru
2
O
3
4
HASTE
LUVAS
C
Deformação
EA
:
:
Δ
:
:
Ru J V
R
Deslocamento
Deformação permanente
Constante de mola K'
s
R
Damping (J)
35,8 m rod length
35,8 m rod length: typical measurements
35,8 m rod length: typical measurements
Average penetration per blow
300/Nref (mm)
0
5
10
15
20
25
300/Nref (mm)
30
0
0
Measured
Simulated
15
20
25
30
Measured
Simulated
4
4
6
6
8
8
10
10
12
12
14
14
16
16
18
18
20
20
SPT - Ladner 06
SPT - Ladner 09
300/Nref (mm)
300/Nref (mm)
0
10
20
30
0
40
10
20
30
40
Numerical
simulation
0
0
Measured
Simulated
2
4
4
6
6
8
8
Depth (m)
Depth (m)
10
2
Depth (m)
Depth (m)
2
2
5
0
10
Measured
Simulated
SPT
LPT
10
12
12
14
14
16
16
18
18
20
20
RLPT - Ladner 11
RLPT - Ladner 08
(1)
0,75
(2)
0,75+Δρ
ΔEPm = Mm (0,75+Δρ) g
Δρ
ΔEPh = Mh Δρ g
H1m
Δρ
H2m
H1h
H2h
Ref
Δρ
Hamiltons’s principle

ΔEPGm+hsystem = Ws + Wnc

ΔEPGm+hsystem – Wnc = Esampler

Esampler = Ws = Fd Δρ
New interpretation method
Dynamic force- Fd:
t2 = t
0,75
2
g = 9,806 m/s
Centro de massa do MARTELO
Instrumentação
Instrumentação
hm(t3)
Centro de massa da HASTE
Haste
Referência
Δρ
Amostrador
hh(t3)
hh(t1)
hm(t1)
Instrumentação
t3 =
Δρ
0,75
Martelo = 65 kg
Δρ
t1 = 0
Dynamic force- Fd:
ΔEPG
sistema
m+h
where: - E•
•
= E + M m gΔρ + M h gΔρ
= Theoretical potential energy = 478J
- Mm = Hammer mass = 65kg
- Mh = Rod mass = 3,23kg/m
-g
= gravity acceleration
- Δρ = permanente sampler penetration
Dynamic force- Fd: CALIBRATION
ΔEPGmsistema
= Wnc = Fd Δρ
+h
η 3 η1 (0,75M h g ) + η 3η1 (ΔρM h g ) + η 3 η 2 (ΔρM r g )
Fd =
Δρ
Soil
Soilproperties
properties
Bearing
Bearingcapacity
capacity
η1 = 0,764 η 2 = 1,00 η3 = 1,00 - 0,0042l
η1 = Eficiência do Martelo
η 2 = Eficiência da Haste
η3 = Eficiênica do Sistema
Granular soils

Friction angle -
Hermansson e
Gravare (1978)
Vésic (1972)
Odebrecht et al
(2005)
Fd → φ
Areias
Sand → ν = 1 ∴ Fd ≅ Fe
Fe = Ap (c N c + σ o N σ ) + Al ( K s γ L tan δ )
η 3 [n1 (0,75 + Δρ ) M m g + n2 M m gΔρ ]
Fd =
Δρ
Granular soils

Friction angle
Fd → φ
(Odebrecht et al, 2004 e Schnaid et al, 2004; 2005)
Sand: case study
qc (KPa)
NSPT
0
5
10
15
20
0
30
2000
4000
6000
φ (graus)
graus
8000
25
10000
-2
-2
-2
-4
-4
-4
-6
-6
-6
-8
-8
-10
-10
Areia
-10
-12
-12
Areia
-18
-18
-18
-20
-22
-22
-24
-24
-26
-26
-26
-28
-28
-28
-30
-30
-30
-32
-32
-32
-22
-24
Areia
45
-16
-20
-20
40
-14
-16
-16
35
-12
-14
-14
30
Profundidade (m)
0
Profundidade (m)
0
0
-8
Profundidade (m)
25
Itajaí - SC
φ SPT
φ R&C
Cohesive soils

Undrained shear strength -
Hermansson e
Gravare (1978)
Vésic (1972)
Odebrecht et al
(2005)
Fd → S u
Fe
Argilas → ν = 0,6 ∴ Fd ≅
0,6
Fe = Ap (c N c + σ o N σ ) + Al ( K s γ L tan δ )
0,6 Fd − γLAb
Su =
N c Ab + αAl
Clays: case study
N SPT
0
500
1000
1500
0
0
500
1000
0
1500
100
200
w (% )
Su (KPa)
300
0
10
20
30
40
0
0
0
0
0
-1
-1
-1
-2
0/70
-2
-2
-2
-2
-3
0/65
-3
-3
-3
-3
-4
0/80
-4
-4
-4
-4
-5
0/100
-6
0/70
-7
-8
-9
0/90
0/60
0/60
-10
-5
-6
-7
-8
-5
-6
-7
-8
Profundidade (m)
-1
Profundidade (m)
7
Profundidade (m)
-1
Profundidade (m)
Profundidade (m)
U, Uo (KPa)
qt (KPa)
-5
-6
-7
-8
-5
-6
-7
-8
-9
-9
-9
-9
-10
-10
-10
-10
-11
-11
-11
-11
-12
-12
-12
-13
-13
-13
0/70
-11
-12
-13
0/50
3
Vane
Sampler: open
BR 101 – Garopaba - SC
Sampler: plugged
-12
-13
25
50
75
100
Challanges
complete standardisation is not likely to be
achieved: reference value of 60% of the
potential energy
9 observation of recommended codes of
practice and better workmanship.
9 incorporate energy and wave propagation
concepts to interpretation methods
9
OUTROS ENSAIOS
DINÂMICOS
Detalhes do ensaio SPT e LPT (Daniel, 2000)

LPT x SPT:
Detalhes
SPTa
SPTb
JLPTc
NALPTd
Massa do Martelo (kg)
65.0
62.3
98.1
133.5
Altura de queda (m)
0.75
0.762
1.50
0.762
Comprimento do Martelo (cm)
0.23
0.533
0.368
0.699
Diâmetro do Martelo (cm)
0.20
14.0
21.1
17.8
Seção transversal de área (cm2)
4.1
8.0
10.1
9.3
Massa linear - haste (kg/m)
3.230
6.304
7.959
7.328
Velocidade de impacto do martelo (m/s)
3.836
3.866
5.425
3.866
Comprimento de haste (m)
11.8
11.8
11.8
11.8
10.807
8.800
18.800
13.900
Comprimento do amostrador (m)
0.45
0.45
0.45
0.45
Massa linear - amostrador (kg/m)
8.516
6.934
14.814
10.953
0.001
0.65
6000
0.001
0.65
6000
0.001
0.65
6000
0.001
0.65
6000
0.031
0.030
0.080
0.068
510
507
1601
1149
Seção transversal - amostrador e (cm2)
Nota:
a Norma Brsileira NBR 6484.
b ASTM D 156-84.
c [(Kaito et al. (1971); Yoshida et al. (1988)]
d [Koester et al. (2000); Daniel (2000)]
e seção transversal de aço
Presente Simulação
Propriedades do solo
Q
J
Ru (N)
Penetração por golpe - Δρ (m)
E
(J)