Estudo sobre a Resistência Não Drenada de Solos Finos pelo Ensaio de Cone de Queda Livre Empregando Amostras de Solos Artificiais Cezar Augusto Burkert Bastos Universidade Federal do Rio Grande – FURG, Rio Grande/RS, Brasil, cezarbastos@furg.br Antônio Marcos de Lima Alves Universidade Federal do Rio Grande – FURG, Rio Grande/RS, Brasil, antonioalves@furg.br Mayra Camargo Pereira Universidade Federal do Rio Grande – FURG, Rio Grande/RS, Brasil, mayracpereira@hotmail.com Keli Luana Rosa Universidade Federal do Rio Grande – FURG, Rio Grande/RS, Brasil, keli_luana@hotmail.com Matheus Rossi Viegas Universidade Federal do Rio Grande – FURG, Rio Grande/RS, Brasil, matheus.rviegas@gmail.com Stella Harkins Guedes de Jesus Universidade Federal do Rio Grande – FURG, Rio Grande/RS, Brasil, stellagharkins@gmail.com RESUMO: O trabalho apresenta estudo realizado com o objetivo de avaliar o potencial de uso do ensaios de cone de queda livre de laboratório na estimativa da resistência não drenada (Su) de solos finos. Para tal buscou-se correlacionar resultados de ensaios de cone e de palheta de laboratório conduzidos em amostras adensadas de solos artificiais, produzidos a partir de misturas de caulim, bentonita, areia fina e água destilada em quatro traços diferentes. Os resultados validam o emprego do cone de queda livre de laboratório na estimativa da resistência não drenada e a aplicação do modelo proposto por Hansbo (1957) com este objetivo. Logo se confirma o ensaio como valorosa ferramenta expedita na estimativa de Su, seja a partir de amostras indeformadas ou amolgadas, muito importante na fase de estudos preliminares, avaliação de alternativas de projeto ou mesmo concepção de anteprojetos de obras geotécnicas. PALAVRAS-CHAVE: Ensaios de Cone de Queda Livre de Laboratório, Resistência Não Drenada, Solos Finos Artificiais. 1 INTRODUÇÃO Em obras portuárias e marítimas (onshore e offshore) é comum o envolvimento com solos finos, como é o caso de solos sedimentares de origem marinha. Uma das propriedades geotécnicas de maior interesse destes solos é a resistência não drenada, entendida como a resistência ao cisalhamento oferecida pelo solo quando solicitado rapidamente, sem que haja condição de drenagem da água intersticial. Esta

situação costuma ser crítica, pois são comuns condições onde a aplicação de cargas ocorre em tempo menor à possibilidade de drenagem do material. Logo, a maioria dos projetos geotécnicos necessita deste parâmetro nas fases de concepção de soluções, dimensionamento e avaliação de segurança. A determinação desta propriedade em laboratório exige amostras indeformadas, em geral de difícil obtenção na condição de ensaios triaxiais. Com isso, ensaios expeditos, de maior repetitividade e que

empregam amostras delgadas são promissores. O cone de queda livre de laboratório, ou fall cone test, teve como idealizador John Olsson, secretário da Geotechnical Commission of the Swedish State Railways (entre 1914 e 1922), que em 1915 desenvolveu um novo dispositivo para obtenção do limite de liquidez denominado, originalmente, de “Cone Sueco” (Figura 1). Este mecanismo foi desenvolvido com o intuito de corrigir e melhorar alguns dos fatores que influenciavam os resultados obtidos pelo método da Casagrande, tentando assim obter uma metodologia mais rápida, simples e de maior precisão. De um modo geral, este método visava a determinação do limite de liquidez através da penetração de um cone, de ângulo e peso conhecidos, numa amostra de solo amolgado (Souza, 2011).

Figura 1. "Cone Sueco” desenvolvido no 1º quartel do século XX pela Junta Real dos Caminhos de Ferro Suecos (Hazell, 2005) O ensaio inicia-se com o posicionamento do cone sobre uma amostra de solo. O cone é libertado, penetrando na superfície da amostra por ação do seu próprio peso. Através deste ensaio é possível obter a coesão não drenada em amostras de solo, função da profundidade de penetração, com uma resolução da ordem de alguns milímetros apenas. Este tipo de ensaio é não drenado porque a penetração do cone no solo é muito rápida, não permitindo a dissipação das poropressões. A interpretação dos resultados de cone de queda livre, visando a estimativa da resistência não drenada, depende de correlações empíricas desenvolvidas a partir de outros ensaios de laboratório ou através de análises teóricas (estáticas e dinâmicas) da penetração do cone. Hansbo (1957) e Wood e Wroth (1978)

demonstraram existir relação entre a resistência não drenada (Su) e a penetração do cone, do tipo: Su = K (Q/d2) (1) onde: Q = massa do cone; d = penetração na massa de solo e K = constante que depende, dentre outros fatores, do ângulo do cone. Este último parâmetro ganhou o nome de Fator Cone de Hansbo. Uma análise teórica dinâmica sobre o movimento do cone durante a penetração é apresentada em Houlsby (1982). Já Fujikawa e Koumoto (1982) apud Koumoto e Housby (2001) realizam uma análise teórica estática para determinação do fator K. Uma completa abordagem sobre o assunto, comparando valores teóricos e experimentais é apresentada em Koumoto e Housby (2001). O Laboratório e Geotecnia e Concreto da FURG tem impulsionado pesquisas com o emprego do cone de queda livre a partir da aquisição do equipamento ao final de 2008 (Figura 2). Tal aquisição promoveu um grande crescimento na capacidade de realização de estudos sobre a consistência e resistência não drenada de solos argilosos, pela rapidez e simplicidade de execução do ensaio e possibilidade de comparação dos resultados obtidos com outros tipos de ensaios.

Figura 2. Equipamento de ensaio de cone de queda livre (“ fall cone”) do Laboratório de Geotecnia e Concreto da FURG O primeiro trabalho científico realizado na FURG com base em resultados de ensaio de cone de queda livre foi o de Pinto (2010) (também publicado em Pinto et al., 2012), que avaliou a aplicação do equipamento na caracterização da plasticidade e resistência não

drenada de misturas de solo artificial, produzido em laboratório desde misturas de caulim, bentonita, areia e água. Os ensaios de cone de queda livre e de Casagrande foram comparados na determinação dos limites de liquidez e plasticidade dos solos, e um breve estudo a respeito da estimativa da resistência não drenada a partir do ensaio de cone foi realizado. Bastos e Scott Hood (2011) promoveram a realização ensaios de cone de queda livre na comparação com ensaios de cisalhamento direto sob valor mínimo de tensão, a partir de amostras indeformadas de argila coletadas em blocos quando da escavação do dique seco do Estaleiro Rio Grande. Comparações desejadas com o ensaio de palheta de laboratório foram impossibilitadas em virtude do material ter apresentado consistência média a rija, ultrapassando a capacidade do equipamento. Scott Hood et al. (2013) apresentaram a comparação entre resultados de ensaios de cone e de palheta de laboratório na obtenção da resistência não drenada de amostras amolgadas do mesmo estrato argiloso citado, variando a consistência das mesmas e confrontando com o modelo proposto por Hansbo (1957). Já Rosa et al. (2013) deram ênfase à comparação entre os resultados de ensaios de cone e de Casagrande na determinação do limite de liquidez de solos argilosos naturais. O estudo em foco busca correlacionar resultados de ensaios de cone de queda livre e de palheta de laboratório conduzidos em amostras adensadas de solos artificiais produzidos a partir de caulim, bentonita, areia fina e água destilada, adensados sob diferentes valores de tensão vertical constante. 2 MATERIAIS E MÉTODOS As amostras de solo artificial foram produzidas a partir da mistura, em betoneira de pequeno porte, dos componentes sólidos com água destilada num teor de umidade correspondente a duas vezes o limite de liquidez (Figura 3). Foram produzidos quatro diferentes traços: T0-0 (caulim 100%), T30-0 (caulim 70%, bentonita 30%), T0-30 (caulim 70%, areia 30%) e T20-20 (caulim 60%, bentonita 20%,

areia 20%). A Tabela 1 resume os dados dos traços empregados. A pré-mistura dos materiais é realizada a seco, manualmente, em um compartimento adequado, até que fosse atingido o maior grau de homogeneidade possível. A proporção de cada material foi medida em peso, desprezando-se as umidades higroscópicas.

Figura 3. Preparação da mistura de solo artificial Tabela 1. Traços dos solos artificiais

Traço Caulim Bentonita Areia fina

T0-0 100 % 0 % 0 %

T30-0 70 % 30 % 0 %

T0-30 70 % 0 % 30 %

T20-20 60 % 20 % 20 %

Tais traços foram submetidos a ensaios de caracterização geotécnica: análise granulométrica por peneiramento e sedimentação (NBR 7181/84), determinação do peso específico real dos grãos (NBR 6508/84), determinação do limite de liquidez (NBR 6459/84) e determinação do limite de plasticidade (NBR 7180/84). O material misturado é vertido em moldes CBR e posteriormente adensado pela sobreposição de pesos (Figura 4). As tensões de adensamento empregadas foram 12,5 kPa e 25,0 kPa.

(a) (b) Figura 4. Preparação das amostras: (a) colocação nos moldes; (b) adensamento dos corpos de prova Depois de adensadas, as amostras são submetidas aos ensaios de cone e palheta conforme esquema da Figura 5. A Figura 6 ilustra os ensaios realizados com a mistura T0-0. Destaca-se que os ensaios de cone são realizados com a amostra extraída do molde, no mesmo plano subsuperficial onde ocorreu o giro da palheta.

Cone

50 mm 30 mm

Plano de corte

Pla

no d

e c

orte

CP Triaxial φ = 35 mm

Diâmetro total da amostra ≅ 150 mm

Palheta φ = 12,7 mm

Anel p/ índices físicos

φ

Cone

Figura 5. Posição dos ensaios na seção do corpo de prova

Figura 6. Procedimento experimental: (a) ensaio de palheta; (b) ensaio de cone

3 RESULTADOS ALCANÇADOS As Tabelas 1 e 2 resumem os resultados dos ensaios de caracterização. A Figura 7 a seguir ilustra as curvas granulométricas.

Tabela 1. Resultados dos ensaios de caracterização TRAÇO γS

(kN/m³) AM (%)

AF (%)

S (%)

ARG (%)

T0-0 25,74 8 15 46 31 T30-0 24,97 6 10 34 50 T0-30 25,34 18 16 34 32 T20-20 25,72 12 20 28 40

γS – peso específico real dos grãos; AM – areia média; AF – areia fina; S - silte ; ARG - argila

Tabela 2. Resultados dos ensaios de caracterização

(cont.) TRAÇO LL

(%) IP

(%) Ia

Classif. SUCS

Classif. HRB-AASHTO

T0-0 42 15 0,48 ML A7-6(10) T30-0 166 121 2,42 CH A7-5(20) T0-30 33 14 0,47 CL A6(8) T20-20 110 83 2,18 CH A7-6(18) LL – limite de liquidez; IP – índice de plasticidade; Ia –

índice de atividade coloidal

Figura 7. Curvas granulométricas das misturas estudadas

Os ensaios caracterizam a mistura T0-0

como um silte argiloso de mediana plasticidade inativo, a mistura T30-0 como uma argila siltosa de elevada plasticidade ativa, a mistura T0-30 como silte arenoso (ou areia siltosa) de mediana plasticidade inativo e por fim o mistura T20-20 como uma argila areno-siltosa de alta plasticidade e ativa. Destaca-se o efeito da bentonita nas misturas T30-0 e T20-20, conferindo elevada plasticidade ao solo artificial. A Figura 8 apresenta a posição na Carta de Casagrande das misturas estudadas.

Figura 8. Misturas estudadas no Gráfico de Plasticidade de Casagrande

A Tabela 3 apresenta resultados médios dos ensaios de cone e de palheta para os corpo de prova das diferentes misturas. Tabela 3. Resultados médios dos ensaios de cone e de palheta Corpo de prova Tensão de

adensamento (kPa)

Su palheta (kPa)

Penetração cone (mm)

T0-0/CP1 12,5 6,1 9,9 T0-0/CP2 25,0 17,6 6,0 T0-0/CP3 25,0* 33,5 4,2 T30-0/CP1 12,5 1,32 32,6 T30-0/CP2 25,0 1,54 29,6 T0-30/CP1 12,5 3,8 22,4 T0-30/CP2 25,0 8,0 11,5 T20-20/CP1 12,5 4,7 12,3 T20-20/CP2 25,0 7,2 8,5

* corpo de prova submetido ao um maior tempo de adensamento e pequena dessaturação (S = 91%)

A Figura 9 apresenta os resultados plotados em comparação com o modelo de Hansbo (1957), para o fator de cone K = 0,8, sugerido por Karlsson (1977). Observa-se que os dados experimentais se ajustam ao modelo de proporcionalidade da resistência não drenada com o inverso do quadradro da penetração do cone, conforme proposto por Hansbo (1957). Na figura também é apresentada uma curva ajustando o coeficiente K aos dados experimentais pelo método dos mínimos quadradros. O melhor ajuste foi obtido adotando-se um valor de K igual a 0,89.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30

Su

(kP

a)

Penetração (mm)

T0-0

T30-0

T0-30

T20-20

Hansbo (1957) K = 0,8

ajuste mínimos quadradros

Figura 9. Penetração x resistência não drenada

Outra observação a partir da Figura 9 é que os pontos situados mais acima das curvas do modelo de Hansbo (1957) referem-se à mistura T0-30, solo arenoso, cuja resistência não drenada deixa de ser adequadamente avaliada pelos ensaios de palheta. Cabe também salientar que o modelo proposto pelo autor destina-se originalmente a argilas. 4 CONCLUSÕES O estudo apresentado ratifica o potencial de emprego do cone de queda livre de laboratório na estimativa da resistência não drenada de solos finos, apontado há muito tempo, por diversos autores. O ensaio constitui uma ferramenta expedita que permite rapidamente estimar a resistência não drenada a partir de amostras indeformadas ou amolgadas. Esta estimativa expedita tem se mostrado muito importante na fase de estudos preliminares, avaliação de alternativas de projeto ou mesmo concepção de anteprojetos de obras geotécnicas. O modelo proposto por Hansbo (1957) mostrou ajustar razoavelmente bem os dados experimentais obtidos com solos artificiais na comparação com ensaios de palheta de laboratório, validando seu emprego. As amostras que mostraram maior discordância com o modelo são aquelas arenosas (T0-30), cujo comportamento não drenado nos ensaios é questionável e a parcela de atrito pode ter sido mobilizada. O estudo terá continuidade com a avaliação de outras misturas a base de caulim e bentonita

em traços intermediários entre o T0-0 e T30-0, buscando mais pontos experimentais entre 10 e 30 mm de penetração. Também se pretende incorporar ao estudo experimental ponteiras cônicas com diferentes geometrias, adotadas em outros equipamentos do gênero. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq, à FAPERGS e à CAPES pelo apoio à pesquisa. REFERÊNCIAS Bastos, C.A.B e Scott Hood, E.S. (2011) Ensaio de cone

de queda livre (fall cone test) na avaliação expedita em laboratório da resistência ao cisalhamento não drenada do solo sedimentar do Superporto de Rio Grande. Relatório final de pesquisa PIBIC-CNPq/FURG 2010-2011, Rio Grande. 12p.

Hansbo, S. (1957) A new approach to the determination of the shear strength of clay by the fall-cone test. Proceedings Royal Swedish Geotechnical Institute, nº 14, pp.7-47.

Hazell, E. (2005) Rate effects in the fall-cone test. Report, Department of Engineering Science, University of Oxford. 62p.

Houlsby, G.T. Theoretical Analysis of the Fall Cone Test. Géotechnique, Vol. 32, No. 2, pp. 111-118. (1982)

Karlsson, R. (in cooperation with the laboratory committee of the Swedish Geotechnical Society). 1977. Consistency limits. Document D6: 1977.

Koumoto, T., Houlsby, G.T. Theory and Practice of the Fall Cone Test. Géotechnique, Vol. 51, No. 8, pp. 701-712. (2001)

Pinto, P.B. (2010) Aplicação do penetrômetro de cone de laboratório na caracterização da plasticidade e resistência não drenada de solos argilosos. Trabalho de Conclusão em Engenharia Civil Empresarial, Escola de Engenharia – FURG, Rio Grande/RS. 66p.

Pinto, P.B., Rosa, K.L., Alves, A.M.L., Bastos, C.A.B. (2012) Comparação entre resultados de ensaios de Casagrande e de cone de queda livre para determinação do limite de liquidez. Anais do XVI Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica, Porto de Galinhas. ABMS. In CD-ROM.

Rosa, K.L.; Bastos, C.A.B.; Alves, A.M.L. (2013) Avaliação da consistência de solos com a utilização do Ensaio de Cone de Queda Livre (“Fall Cone Test”). Anais do VII Seminário de Engenharia Geotécnica do Rio Grande do Sul, Santa Maria/RS. ABMS-NRRS. In: http://coral.ufsm.br/geors2013/ (acessado em 03/3/2014)

Scoot Hood, E.S.; Bastos, C.A.B.; Alves, A.M.L. (2013)

Estudo experimental sobre a avaliação da resistência não drenada a partir do Ensaio de Cone de Queda Livre (Fall Cone Test). Anais do VII Seminário de Engenharia Geotécnica do Rio Grande do Sul, Santa Maria/RS. ABMS-NRRS. In: http://coral.ufsm.br/geors2013/ (acessado em 03/3/2014)

Souza, P.M.L.P. (2011) Limite de liquidez – correlações e comparações entre os métodos de fall cone e da concha de Casagrande. Dissertação de Mestrado em Engenharia Geológica (Geotecnia). Universidade Nova de Lisboa, Lisboa/PT. 148p.

Wood, D.M.; Wroth, C.P. The use of the cone penetrometer to determine the plastic limit of soils. Ground Engineering, vol. 11, n.3.p.37