Belém – Pará 2016 Roberto Hiroshi NAKATA Alexandre Silva

Roberto Hiroshi NAKATA
Alexandre Silva MOTTA
Felipe Bringel LEITE
Thalys Alexandro de OLIVEIRA
Mateus de Souza CASIMIRO
Fábio José HIPÓLITO Ferreira
ENSAIO PRESSIOMÉTRICO
Belém – Pará
2016
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Roberto Hiroshi NAKATA
Alexandre Silva MOTTA
Felipe Bringel LEITE
Thalys Alexandro de OLIVEIRA
Mateus de Souza CASIMIRO
Fábio José HIPÓLITO Ferreira
ENSAIO PRESSIOMÉTRICO
O
trabalho
intitulado
ENSAIO
PRESSIOMÉTRICO, de autoria de Roberto
Hiroshi Nakata, Alexandre Silva Motta, Thalys
Alexandro De Oliveira Soares , Mateus De
Souza Casimiro , Fábio José Hipólito Ferreira e
Felipe Bringel Leite, foi aprovado na
modalidade
Comunicação
Oral,
para
apresentação no evento VII Mostra de
Pesquisa em Ciência e Tecnologia DeVry Brasil
a ser realizado de 02 de maio de 2016 a 06 de
maio de 2016.
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SUMÁRIO
1-RESUMO
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2 – INTRODUÇÃO
4
3 – EVOLUÇÃO HISTÓRICO
5
4 - ENSAIO PRESSIMÉTRICO
7
4.1 Pressiômetro de pré-furo
7
4.1.1 -Ensaios Pressiométricos Menárd
7
4.2 - Pressiômetroautoperfurante:
8
4.3 - Pressiômetro de cravação
8
5 – UTILIZAÇÃO
9
5.1 – Pressiômetro do tipo PBPMT
9
5.2 - Pressiômetro do tipo SBPMT
11
5.3 - Pressiômetro do tipo CPMT
13
5.4 – Pressiômetro para pavimentos
13
6 –METODOLOGIA DO ENSAIO
14
6.1 - 8.1 – Calibração
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7 - APLICAÇÕES
17
8 – VANTAGENS E DESVANTAGENS
17
8.1 - Vantagens
17
8.2 – Desvantagens
17
9 – Ensaios
17
9.1 - Ensaios de perda de pressão (PC)
17
9.2 -Ensaios de perda de volume (VC)
18
9– CONSIDERAÇÕES FINAIS
18
10 – REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
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1 -RESUMO
A construção civil, atualmente, está, cada vez mais, explorando recursos
sustentáveis e econômicos para serem aplicados tanto na parte construtiva, quanto na
parte de acabamento ou em outros. O trabalho tem o objetiva de apresentar o ensaio
pressiométrico, assim como a evolução do mesmo ao longo de várias décadas, mais
especificamente dos equipamentos pressiométricos. Além disso, será ainda dada
especial atenção à metodologia de ensaio e à calibração do equipamento, de acordo com
a norma ASTM. Desenvolvido na França na década de 50, os ensaios pressiométricos
tipo Ménard (PMT) consistem na inserção em um pré-furo de sonda pressiométrica e
deformação radial de membrana por meio de inserção de gás nitrogênio. Esses ensaios
são fundamentais para qualquer tipo obra da construção civil, pois é uma descoberta da
caracteristica
das
contições
do
solo.
2 - INTRODUÇÃO
O ensaio pressiométrico é um ensaio efectuado “in situ”, consistindo o mesmo
na introdução de uma sonda cilíndrica dentro de um furo aberto no solo, e na aplicação
de uma pressão que levará à expansão da sonda - Fig. 1, tendo como consequência uma
compressão horizontal do solo na zona envolvente.
Fig. 01
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Deste ensaio obtém-se uma relação entre a pressão lateral aplicada P no solo
(tensão radial σrr na parede da cavidade) e o respectivo incremento do raio da cavidade
relativamente ao seu raio inicial ∆R0/R0 (deformação circunferencial εθθ na parede da
cavidade), ou seja, o ensaio fornece uma curva tensão-deformação “in situ” para o solo
à profundidade ensaiada. A interpretação das curvas pressão volume (P-V) provenientes
do ensaio permitem a obtenção de um módulo pressiométrico e de uma pressão limite,
daí que se refira a este aparelho como o único que fornece, a partir de um ensaio "in
situ", uma característica de deformabilidade e uma característica de resistência do solo.
Verifica-se no entanto que, o módulo pressiométrico e a pressão limite não
correspondem a características mecânicas intrínsecas do solo, uma vez que dependem,
não só do tipo de terreno como também do equipamento utilizado e ainda do modo de
realização do furo e do operador do aparelho. Assim sendo, também os valores obtidos
para a capacidade de carga e assentamentos da fundação sofrem de várias imprecisões,
função dos coeficientes empíricos utilizados (Monnet e Chemaa, 1994).
Os ensaios realizados “in situ” visam reconhecer o terreno de fundação, avaliar
suas características de resistência, deformabilidade e devem ser realizados diretamente
sobre o maciço de solo ou de rocha.
3 – EVOLUÇÃO HISTÓRICO
A criação do primeiro pressiómetro PBPMT é atribuído a Kogler, em 1933 na
Alemanha, no entanto este não levará a sua ideia por diante e será Ménard, em 1955 na
França, que desenvolverá e construirá realmente o pressiómetropré-perfurador e o
primeiro que conseguirá obter as propriedades de deformação do solo “in situ” a partir
do ensaio, sendo por isso considerado como o inventor e “pai” deste equipamento.
Fukuoka, em 1959 no Japão, desenvolve um outro pressiómetro PBPMT que lhe
permitirá determinar o módulo de deformabilidade horizontal do solo (Briaud, 1992).
Nesse mesmo ano, Ménard introduzirá uma modificação no seu pressiómetro, passando
a proteger a sonda, a qual fica envolta numa camisa cilíndrica.
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Em 1963, e com base na experiência adquirida, Ménard publica as primeiras
equações e tabelas que relacionam os resultados do ensaio pressiométrico com o
assentamento das fundações directas e a capacidade de carga das mesmas (Ménard,
1963). Numa tentativa de aperfeiçoar o procedimento do ensaio, Jézéquel, em 1965,
desenvolverá no “LaboratoiredesPonts et Chaussées”, na França, o primeiro
pressiómetro SBPMT (Jézéquel et al, 1968). Este pressiómetro, de Jézéquel, é
igualmente designado por “PAF” (PressiometreAutoforeur) e tem sofrido várias
melhorias ao longo dos anos.
Em 1966, Suyama, Imai e Ohyapertencentes á empresa Japonesa “Oyo
Corporation” criarão dois tipos de pressiómetros PBPMT, sendo eles o “Lateral
LoadTester “ e o “Elastmeter 100” (Oyo Corporation, 1983).
Já na década de 70, mais precisamente em 1971 Wroth e Hughes desenvolverão
na Universidade de Cambridge, na Inglaterra, o pressiómetro SBPMT “Camkometer”
(Wroth e Hughes, 1973), o qual é actualmente comercializado pela “Cambridge In
Situ”. Mais tarde, em 1975, a “BuildingResearch Establishment” no Reino-Unido
procede ao fabrico, com o intuito de ser utilizado em plataformas pretolíferas, o
primeiro PSPMT (Wroth, 1982).
Por sua vez no Canada, em 1978, é desenvolvido por Briaud e Shields um
pressiómetro de pequenas dimensões para fins de dimensionamento de pavimentos, o
qual é conhecido por “Pencell” (Briaud, 1979). Nesse ano, em França, o
“InstitutFrançaisduPétrole”, concebe o “PAM”. Este é um pressiómetro SBPMT
utilizado para fins de investigação em plataformas pretolíferas. Ao mesmo tempo é
publicado o livro de Baguelin, Jézéquel e Shields com o título “Pressuremeterand
Foundation Engineering” (Baguelin et al, 1978).
Briaud e os seus colegas da “Texas A&M University” desenvolverão em 1982 o
pressiómetro “Texam”, actualmente comercializado pela “Roctest”. Também nesse ano,
em França, as equipes do “LaboratoiredesPonts et Chausses” e do “Techniques Louis
Ménard” trabalharão em conjunto e criarão o “LPC-TLM”. Este é um pressiopenetrómetro com cone e é destinado à caracterização dos maciços nas zonas pouco
profundas das plataformas petrolíferas.
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4 -ENSAIO PRESSIMÉTRICO
Existem diferentes procedimentos para instalação da sonda pressiométrica no
interior do solo. Estes procedimentos foram desenvolvidos com o objetivo de reduzir ou
eliminar os possíveis efeitos de amolgamento gerado pela inserção da sonda no terreno
e, também, com o objetivo de adaptar melhor a técnica de ensaio às diferentes condições
do subsolo.
- Pressiômetro de pré-furo;
- Pressiômetro autoperfurante;
- Pressiômetro cravado.
4.1 Pressiômetro de pré-furo
A sonda é inserida em um furo de sondagem previamente escavado. Exige
cuidados especiais para evitar a perturbação do solo decorrente do processo de
escavação (qualidade do ensaio).
4.1.1 -Ensaios Pressiométricos Menárd
Os ensaios pressiométricos tipo Menárd (PMT) consistem na inserção em um
pré-furo de sonda pressiómetrico e deformação radial de membrana por meio de
inserção de gás nitrogênio.
O ensaio é basicamente realizado através de uma sonda cilíndrica dentro de um
furo aberto no solo, e nela é aplicada uma pressão que levará à expansão da sonda
comprimindo o solo no sentido horizontal que medirá as variações de pressões e
volumes ocorridos com a deformação do solo.
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4.2 – Pressiômetro autoperfurante
Este ensaio visa minimizar os efeitos de perturbação do soloao redor da sonda,
gerados pela inserção do equipamento no terreno.
Um tubo de parede fina é cravado no solo enquanto as partículas de solo
deslocado pelo dispositivo são fragmentadas e removidas para a superfície por fluxo de
água.
A operação requer uma equipe altamente treinada que, para cada tipo de solo,
selecione simultaneamente a pressão vertical necessária à cravação, a posição e
velocidade de rotação da sapata cortante e a pressão no fluido de lavagem.
Monitoração eletrônica – pressão de
cavidade, deslocamentos e poro pressões
4.3 - Pressiômetro de cravação
- a cravação do pressiômetro no terreno é forçada por meio de procedimentos de
cravação. Entre as diferentes técnicas destaca-se o cone-pressiômetro (CPMT), no qual
o módulo pressiométrico é montado diretamente no fuste de um cone.
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O procedimento de ensaio consiste na interrupção da cravação do cone em cotas
pre-estabelecidas, nas quais procede-se à expansão da sonda pressiométrica.
5 – UTILIZAÇÃO
5.1 – Pressiômetro do tipo PBPMT
Hoje em dia existem essencialmente quatro pressiómetros do tipo PBPMT diferentes.
O primeiro tipo considera a sonda dividida em três células, sendo a central onde se
efectuam as medições e as outras duas de guarda para isolarem a célula central dos
efeitos de extremidade existentes. A aplicação da pressão nestas células é realizada,
respectivamente, pela introdução de um gás nas células de guarda e pela introdução de
água na célula central. Estas pressões são conseguidas recorrendo a garrafas de gás
(nitrogénio) comprimido.
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A membrana de borracha que envolve a sonda está protegida de eventuais
problemas de perfuração por sobreposição de tiras estreitas de aço. As leituras do
aumento de volume são obtidas através de manómetros de pressão. São exemplo deste
tipo de equipamento o pressiómetroMénard.
PressiómetroMénard GC
O segundo tipo é em tudo idêntico ao primeiro, com a excepção de que a sonda é
composta por uma única célula, a qual apresenta comprimento suficiente grande para
que os efeitos de extremidade se considerem negligáveis. Este é o caso do “Lateral
LoadTester - LLT” de Oyo.
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Pressiómetro “LLT” de Oyo
O terceiro tipo é muito parecido com o segundo, sendo a diferença dada pelo
modo de aplicação da pressão de água na sonda, a qual neste caso é realizada por um
macaco que irá actuar sobre um pistão e que forçará a entrada de água na sonda. A
medição do aumento de volume é dada pela leitura da distância percorrida pelo pistão
ou então pela contagem e registo das voltas efectuadas pelo parafuso do macaco, sendo
a medição da pressão obtida do manómetro de pressão
O pressiómetro “Texam” da “Roctest” é um exemplo deste tipo que
equipamento.
Pressiómetro “Texam” da Roctest
Finalmente o quarto pressiómetro deste tipo, o “Tri-Mod”, também da “Roctest”,
assemelha-se ao segundo tipo acima mencionado, mas o elemento que garante o
aumento de volume da sonda será gás e não água.
5.2 - Pressiômetro do tipo SBPMT
Actualmente existem três pressiómetros do tipo SBPMT diferentes.
No primeiro tipo de pressiómetro, o instrumento que efectua o corte no solo é
alimentado por um pequeno motor incorporado dentro da sonda. A célula é única, sendo
a dilatação da mesma efectuada por aumento da pressão da água. Esta pressão é
aplicada do mesmo modo que descrito em 3.1, assim como o sistema de leituras.
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Pressiómetro “PAF 76” do LCPC
O pressiómetro do “LaboratoiredesPonts et Chaussées”, designado por PAF 76,
é um equipamento do tipo acabado de descrever.
No segundo caso o elemento de corte é alimentado a partir da superfície através
da rotação das hastes de furação interiores. A sonda contínua a ser constituída apenas
por uma única célula, no entanto a pressão é exercida por um gás, sendo o aumento do
raio da sonda dado por três fios eléctricos situados a meio da sonda. A pressão é medida
não só através de transdutores de pressão localizados na sonda como também por
manómetros de pressão, podendo-se ainda medir as pressões intersticiais durante o
ensaio através da colocação de transdutores de pedras porosas as quais são coladas à
membrana que envolve a sonda. Um exemplo deste tipo de pressiómetro é o
“Camkometer” da “Cambridge In Situ”.
“Camkometer” de Cambridge
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O terceiro tipo de pressiómetro é semelhante ao primeiro, sendo a única
diferença entre eles dada pelo modo de furação do solo, a qual é, neste caso, realizada a
partir da superfície pela rotação das hastes interiores. O “Boremac” é um pressiómetro
deste tipo, verificando-se que na realidade este não é mais do que a versão do “Texam”
com um sistema de autofuração anexado.
5.3 - Pressiômetro do tipo CPMT
Existem diversos tipos de pressiómetros deste género, ou seja, com cone. Com
este equipamento pretende-se conjugar as vantagens do ensaio CPT, “Cone Penetration
Test”, com as do ensaio pressiométrico, PMT. Assim, obtêm-se os perfis, em
profundidade, da resistência de ponta oferecida pelo solo, e uma vez atingida a cota
pretendida para a realização do ensaio pressiométrico para-se a penetração e procede-se
à expansão da sonda. No caso da penetração ser estática, esta é efectuada à razão de 20
mm/s, tal como sucede no ensaio CPT. No caso contrário, ou seja se a penetração é
dinâmica, então é deixado cair um peso com uma certa massa a partir de uma
determinada altura de queda.
5.4 – Pressiômetro para pavimentos
Os materiais das camadas dos pavimentos e suas características de
deformabilidade, podem de igual ser determinadas com base em ensaios
pressiométricos. Neste tipo de equipamento a sonda apresenta um comprimento
relativamente
pequeno
e
como
tal
também
o
seu
diâmetro
será
menor
(aproximadamente 33 mm), por forma a garantir-se que os efeitos de extremidade são
desprezáveis. O facto do comprimento da sonda ser inferior prende-se com a
necessidade de ensaiar separadamente as camadas que constituem o pavimento,
conseguindo-se desse modo obter as características individuais de cada uma delas. Estes
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ensaios são realizados em furos previamente executados, estando por essa razão
inseridos no grupo dos pressiómetros PBPMT, usualmente designados por minipressiómetros.
6 –METODOLOGIA DO ENSAIO
Após efectuada a calibração do equipamento procede-se à realização do ensaio
pressiométrico, sendo a profundidade ou cota deste correspondente à profundidade a
meio da sonda. Durante o ensaio, e tal como referido na calibração da membrana, a
sonda pode ser expandida em séries de incrementos de igual pressão (método A) ou de
igual volume (método B). No caso de se utilizar o método A então será necessário
antecipar a pressão máxima que o solo a ensaiar pode suportar, a qual pode ser estimada
com base no Quadro I.
Os incrementos de pressão deverão ser todos iguais, sendo o seu valor de
sensivelmente um dez avos (1/10) do valor estimado para a máxima pressão aplicável
ao solo. Cada incremento de pressão ΔP é aplicado durante 1 minuto, além do tempo
necessário para que ele atinja o patamar de pressão pretendido, o que significa que
teoricamente o ensaio estaria concluído ao fim de aproximadamente 10 minutos. Na
realidade verifica-se que a pressão máxima do solo é atingida entre os 7 e 14
incrementos.
Quadro I – Estimativa do valor da pressão máxima de um solo (Briaud, 1992)
As leituras do volume injectado correspondentes a cada ΔP deverão ser
efectuadas aos 30 segundos V30 e 60 segundos V60 (1 min). Destas leituras resultarão
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dois gráficos, em que um deles traduz a relação entre a pressão aplicada e o volume
final injectado V60, e o outro traduz a relação entre a pressão e a diferença de volume
registada entre os 60 e 30 segundos (V60-V30).
Deste último gráfico – Fig. 14, o que indica a evolução de V60- V30 com o nível
de pressão, é possível retirar o valor de pressão para o qual o solo entra em cedência P y,
que tem início quando a curva sofre um aumento significativo de V60-V30 (ponto).
Relaçãp de P com V60-V30
No caso do método B, os incrementos de volume são iguais a um quarenta avos
de V0 (V0/40), sendo o tempo de aplicação de cada patamar de volume de 15 segundos,
além do tempo necessário para que seja atingido o volume pretendido. Para cada
incremento de volume faz-se a leitura da pressão correspondente ao fim dos 15
segundos P15, e com estes valores traça-se a curva que traduz a evolução do volume
injectado com a pressão. A sonda atinge o dobro do seu volume inicial após 40
incrementos de volume, ou seja passados aproximadamente 10 minutos (40 x 15s = 600
s).
Faz ainda parte do procedimento habitual efectuar-se um ciclo de descargarecarga na parte final do troço linear da curva pressiométrica, a qual é perceptível se se
tiver em atenção a evolução dos incrementos de volume ΔV60 no caso do método A, ou
os incrementos de pressão ΔP15 no caso do método B. Estes incrementos mantêm-se
sensivelmente constantes durante a fase de ensaio que corresponde à parte linear da
curva, sofrendo um aumento ou decréscimo assim que ocorra a cedência do solo.
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6.1 – Calibração
Norma ASTM (4719-87);
Ele fornece uma resposta de tensão-deformação do solo “in situ”;
Os resultados deste método de ensaio é dependente do grau de perfuração do furo de
sondagem e a inserção de sonda;
Os resultados deste método de ensaio é dependente do grau de perturbação e sondagem.
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7 - APLICAÇÕES
-Fundações Superficiais;
-Fundações Profundas;
-Estacas Carregadas Axialmente;
-Estacas Carregadas Lateralmente.
-Escavações Profundas;
-Estruturas de Contenção;
-Estabilidade de Taludes;
8 – VANTAGENS E DESVANTAGENS
8.1 - Vantagens:
- Comportamento Tensão-Deformação In Situ;
-Rapidez, Simplicidade e Economia;
-Baixo Grau de Amolgamento;
-Análise Racional.
8.2 - Desvantagens:
-Oferece apenas medidas de Propriedades Horizontais do solo.
9 - Ensaios:
9.1 - Ensaios de perda de pressão (PC)
Ocorrem devido à rigidez das paredes da sonda.
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9.2 -Ensaios de perda de volume (VC)
Quando se trabalha com valores elevados de pressão, é natural que ocorram
aumentos de volume no sistema em razão da dilatação das tubulações internas e das
mangueiras que fazem a ligação entre a caixa de monitoramento.
10– RESULTADOS FINAIS NA PESQUISA
De acordo com a mais recente classificação atribuída a ensaios “in situ”, e
analisando os tipos de ensaios que estão associados às diversas categorias, constata-se
que o ensaio pressiométrico encontra-se inserido na 2ª categoria (Gambin, 1995; Stille
et al, 1968): "2ª categoria – Inclui os ensaios que fornecem grandezas mecânicas com
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um sentido prático para a engenharia e cujos resultados podem ser interpretados com
base em modelos de teorias simples." Como tal, e considerando a classificação referida,
é possível, com base neste ensaio e nos seus resultados, curvas pressiométricas, obter
uma identificação do solo ensaiado e consequentemente algumas das suas
características, daí que o ensaio pressiométrico seja bastante versátil.
O ensaio pressiométrico é fundamental para analisar as características de
resistência e deformabilidade dos solos ou rochas, assim, compreendendo o solo
podemos elaborar um projeto adequado para o tipo de solo. Algo essencial, já que o solo
que irá sustentar a estrutura.
11 – REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
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