ENSAIOS DE PENETRAÇÃO DE CONE (CPT)

Um dos ensaios mais confiáveis do mundo, o ensaio de penetração do cone (CPT).

O CPT é um método de ensaio in situ usado para determinar as propriedades de engenharia geotécnica e delinear a litologia do seu solo.

O método de ensaio CPT consiste na utilização de um equipamento hidráulico para empurrar uma ponta do cone instrumentado para dentro do solo através de várias hastes.

Ele mede continuamente a resistência necessária para penetrar no solo a uma velocidade constante de dois centímetros por segundo.

A força total que atua sobre o cone é chamada de resistência de cone e verifica a qualidade de seu solo.

A força que age sobre as hastes de sondagem fornece a fricção total. Medidas com um cone elétrico, equipado com uma luva de atrito, fornecem a resistência ao atrito lateral local (CPT-E).

Quando o nível exato do lençol freático precisa ser monitorado, um piezômetro é rapidamente instalado para coletar dados de pressão da água. A capacidade de pressão do equipamento de sondagem é fornecida pelo lastro de um caminhão ou por buchas para atingir uma reação extra.

A informação coletada é usada para calcular os seguintes parâmetros geotécnicos:

• Ângulo de atrito efetivo

• Coeficiente de adensamento

• Capacidade de rolamento

• Comportamento do assentamento de uma fundação

Esse conjunto detalhado de cálculos nos permite oferecer um relatório completo com as recomendações certas para garantir a adequação dos seus projetos de fundação.

Técnicas existentes de CPT, incluindo:

• Penetrômetro de cone mecânico- fornece os cálculos para a construção de fundações, medindo a resistência de cone em intervalos regulares de 20 centímetros. Usamos o cone holandês com um manto cônico e o cone Begemann com medição do atrito lateral.

• Penetrômetro de cone elétrico - coleta informações mais completas, que permitem uma melhor classificação das camadas de solo (por exemplo, pode detectar uma fina camada de turfa em solos argilosos). O atrito e a resistência lateral do cone são medidos continuamente a cada dois centímetros, permitindo o cálculo da taxa de atrito. Um computador registra as medidas, que são transmitidas pelo cone elétrico para a superfície, através de um cabo que fica dentro das hastes do penetrômetro.

• Piezocone (CPT-U)- coleta dados adicionais sobre a pressão da água nos poros.

• SoniCPT- baseado no "sonic samp drill", o SoniCPT é um sistema único que desenvolvemos usando vibrações para tornar o solo mais fluido. As vibrações são usadas para deixar o solo mais fluido e reduzir o atrito, permitindo que o sistema sônico atravesse camadas duras da superfície ou sedimentos soltos. Quando o CPT sofre um bloqueio, o Sonic pode atravessar e continuar a medir, poupando um tempo valioso.

Para cada investigação deve ser elaborado um relatório detalhado, ilustrando claramente as medições e os parâmetros calculados em tabelas e gráficos e fornecer descrição e a interpretação dos locais de ensaio, sua estratigrafia e relatórios sobre as águas subterrâneas e conter um plano detalhado do local, com recomendações de como adaptar suas fundações (onde necessário) e obter força de suporte máxima.

Métodos diretos de investigação do subsolo

CPT e CPTu

Ensaios CPT e CPTU: história

Os ensaios de cone e piezocone, conhecidos pelas siglas CPT (cone penetration test) e CPTU (piezocone penetration test), respectivamente, caracterizam-se internacionalmente como uma das mais importantes ferramentas de prospecção geotécnica. Resultados de ensaios podem ser utilizados para a determinação estratigráfica de perfis de solos, a determinação de propriedades dos materiais prospectados, particularmente em depósitos de argilas moles, e a previsão da capacidade de carga de fundações.

Segundo o livro Ensaios de Campo e suas Aplicações à Engenharia de Fundações – 2ª ed. as primeiras referências aos ensaios remontam à década de 1930 na Holanda (Barentsen, 1936; Boonstra, 1936), consolidando-se a partir da década de 1950 (p. ex., Begemann, 1965). Relatos detalhados do estado do conhecimento, enfocando aspectos diversos da prática de engenharia, podem ser encontrados em Jamiolkowski et al. (1985, 1988); Lunne e Powell (1992); Lunne, Robertson e Powell (1997); Meigh (1987); Robertson e Campanella (1988, 1989); Yu (2004); Schnaid (2009) e Mayne et al. (2009).

A evolução do ensaios CPT CPTU.

Fonte: Retirado do Portal GoudaGeo-equipment B.V.

A evolução do ensaios CPT CPTU.

Fonte: Retirado do Portal GoudaGeo-equipment B.V.

Uma revisão extensiva da prática internacional é apresentada no livro de Lunne, Robertson e Powell (1997) – CPT in geotechnical practice. Além dessas publicações, existe uma conferência dedicada exclusivamente ao ensaio CPT, o Simpósio Internacional de Ensaios de Cone (realizado em 1995 e 2010), e outras conferências associadas ao tema de investigação: ESOPT I e II – Conferências Europeias de Ensaios de Penetração; ISOPT I – Conferência Internacional de Ensaios de Penetração; ISC – Simpósio Internacional de Caracterização do Subsolo (realizado em 1998, 2004, 2008 e 2012).

No Brasil, o ensaio de cone vem sendo empregado desde o final da década de 1950. A experiência brasileira limitava-se, porém, a um número relativamente restrito de casos, com a possível exceção de projetos de plataformas marítimas para prospecção de petróleo. Essa tendência foi revertida na década de 1990, em que se observou um crescente interesse comercial pelo ensaio de cone, impulsionado por experiências de pesquisas desenvolvidas nas universidades brasileiras, conforme descrito por Rocha Filho e Schnaid (1995), Quaresma et al. (1996) e Viana da Fonseca e Coutinho (2008).

A evolução do ensaios CPT CPTU.

Fonte: Retirado do Portal GoudaGeo-equipment B.V.

São inúmeros os exemplos de pesquisas, desenvolvimentos e relatos de casos que refletem a prática brasileira (Rocha Filho; Alencar, 1985; Soares et al., 1986a; Danziger; Schnaid, 2000; Rocha Filho; Sales, 1995; Almeida, 1996; Brugger et al., 1994; Coutinho; Oliveira, 1997; Danziger; Lunne, 1997; Schnaid et al., 1997; Soares; Schnaid; Bica, 1997; Coutinho; Oliveira; Danziger, 1993; Coutinho et al., 1998; Elis et al., 2004; Massad, 2009, 2010; Albuquerque; Carvalho; Fontaine, 2010; Almeida; Marques; Baroni, 2010; De Mio et al., 2010; Coutinho; Schnaid, 2010; Bedin; Schnaid; Costa Filho, 2010; entre outros). Hoje o ensaio é executado comercialmente por diversas empresas estabelecidas no Brasil e na América do Sul.

As dificuldades inerentes à comparação de resultados obtidos com diferentes equipamentos levaram à padronização do ensaio pela IRTP/ISSMFE (1977, 1988a), acompanhado de normas e códigos regionais e nacionais: no Brasil, NBR 12069/1991 (MB-3406) (ABNT, 1991); na Holanda, NEN5140/1996; na Europa, Eurocode 7, Parte 3, 1997; na França, NFP 94-113/1989; no Reino Unido, BS1377/1990; nos Estados Unidos, D5778/1995. Recomendações com relação a fatores como terminologia, dimensões, procedimentos, precisão de medidas e apresentação de resultados são referenciadas nessas normas.

A elaboração de projetos de engenharia envolve, via de regra, estudos a respeito das características geotécnicas do terreno e exige um conhecimento adequado das características e das propriedades dos solos. O reconhecimento do subsolo e a determinação das propriedades geotécnicas podem ser feitos através de investigações geotécnicas de campo. Na maioria dos casos, são necessárias a utilização de correlações empíricas e calibrações para converter os resultados de ensaios de campo em propriedades adequadas para o projeto. Dentre os principais métodos de investigação geotécnica, destacam-se os ensaios de penetração do cone – CPT e o Piezo Cone Penetration Test – CPTu. Os resultados destes ensaios permitem a identificação estratigráfica de perfis de solos, a determinação de suas propriedades mecânicas, estimadas com base em correlações empíricas e semi-empíricas, visando aplicações em diversas áreas da geotecnia, em particular na previsão da capacidade de carga e de recalques de fundações.

Os primeiros estudos relativos ao ensaio de penetração estática, chamado de “diepsondering”, “deepsounding”, ensaio de cone holandês ou simplesmente ensaio de cone, foram realizados por TERZAGHI (1930). Logo em seguida, estudos se seguiram através dos especialistas do Laboratório de Mecânica dos Solos de Delft, na Holanda. Na década de 30, foi desenvolvido um medidor mecânico de penetração de cone, que posteriormente sofreu modificações importantes introduzidas por BEGEMANN (1953), um dos pioneiros no estudo do ensaio de penetração estática.

No Brasil, este tipo de ensaio, foi regido pela NBR 12069:1991 até 2015, data em que a norma foi cancelada por não mais se adequar aos equipamentos mais modernos, cujas novas características, sobretudo a incorporação de recursos computacionais, são atendidas em sua completude por normas estrangeiras, em especial a norma americana ASTM D-344: Standard test method for deep quasi-static, cone and friction-cone penetration tests of soils.

Para realização do ensaio é necessário equipamento especial que consiste basicamente em um conjunto de hastes tendo na extremidade inferior um cone com ângulo de vértice de 60 º e uma base de 10 cm2 (Figura 1).

Figura 1: Cone utilizado no ensaios CPT. Fonte: www.damascopenna.com.br

A resistência de ponta é medida através de uma célula de carga. Um conjunto de hastes metálicas transmite a força de cravação da máquina ao cone. Interiormente as hastes, passa o cabo de alimentação do cone. A resistência de ponta é obtida continuamente e os valores correspondentes podem ser registrados em gráficos, simultaneamente à realização do ensaio. É medido também a resistência de atrito lateral, através de uma célula de carga fixada à luva de atrito, situada logo acima da base. O ensaio CPT vem sendo utilizado de forma crescente em inúmeros projetos geotécnicos. No início dos anos 1980 os elementos de poro-pressão foram incorporados aos cones elétricos, resultando no equipamento designado como piezocone (ensaio CPTu).

O cone é cravado no solo a uma velocidade constante, por um sistema hidráulico instalado em perfuratriz ou em veículos preparados para esta finalidade. O equipamento de cravação é uma estrutura de reação na qual é montado o sistema de aplicação de cargas, realizado por macacos hidráulicos. A penetração das hastes de 1m de comprimento é feita continuamente e seguida da retração do pistão hidráulico para colocação de nova haste . O conjunto pode ser montado sobre um reboque ou caminhão previamente preparado para esta finalidade (Figura 2). A reação aos esforços de cravação é obtida pelo peso próprio do equipamento e pela ancoragem manual.

Figura 2: Desenho esquemático da execução do ensaio CPT. Fonte: Construção Mercado.

Durante a penetração, as forças medidas pela ponta e pelo atrito lateral variam em função das propriedades dos materiais atravessados. Os registros de qc e fs são monitorados continuamente e digitalizados em intervalos típicos de 10, 25 e 50mm. Com base nas medidas de resistência de ponta (qc) e atrito lateral (fs), calcula-se a razão de atrito Rf = fs/qc. O conhecimento da resistência à penetração de ponta do cone qc e da relação de atrito Rf permite a determinação do tipo de solo, através de análises dos ábacos de ROBERTSON (1983 e 1986). A Figura 3 apresenta o ábaco, que permite a identificação de 12 diferentes tipos de solo.

Figura 3: Classificação do solo proposta por ROBERTSON. Fonte: Neto, Luiz Biondi et al.