Parâmetros Geotécnicos

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Parâmetros Geotécnicos

Os paramêtros geotécnicos possíveis de deduzir a partir do ensaio de DMT são diversos. Na seguinte tabela (tabela 1) apresentam-se os parâmetros possíveis de deduzir, bem como em função de variável são obtidos.

Tabela 1 - Representação dos parâmetros geotécnicos possíveis de obter a partir do ensaio DMT.

tabela resumo parmetros geotcnicos

1) Identificação estratigráfica

O ensaio do dilatómetro não permite a recolha de amostras mas não impede de estabelecer um perfil estratigráfico dos solos atravessados com base no índice de material, ID. Marchetti (1980) definiu o índice de material como a diferença entre duas pressões P0 – u0:

ID = ?P/ (P0 – u0)

Em que u0 corresponde ao índice de tensão neutra. Assim, A partir de ID podemos deduzir o tipo de solo a partir dos seguintes valores:

id2

Há uma elevada precisão na correlação de ID com a granulometria do solo, embora tenham sido assinalados desvios a este comportamento em solos altamente sobreconsolidados (Powell e Uglow, 1988). O índice ID é extraordinariamente constante em formações homogéneas, refletindo com grande precisão eventuais variações na formação, sendo habitual que o mesmo índice se situe entre dois ciclos logarítmicos, 0,1 e 10 (Marchetti, 1980).


2)Parâmetros Físicos

Baridade

É possível, a partir do ensaio de DMT estimar a baridade total do solo. É possível de obter a partir do Índice de vazios – ID e do Módulo dilatométrico – ED.

baridade

Figura 2 - Diagrama desenvolvido por Marchetti & Crapps (1981) para estimar a baridade do solo.

O módulo dilatométrico - ED é obtido diretamente das leituras de P0 e P1, por uma aplicação da teoria da elasticidade:

S0=(2/?) ((1-??2)/E).D.(P1-P0)

Em que,

S0 – deslocamento na direção normal ao plano da membrana, igual a 1,1 mm;

D – diâmetro da membrana.

Substituindo os valores na expressão, obtém-se então a expressão:

ED = 34, 7 (P1 – P0)

Quanto maior for o valor do módulo dilatométrico, menor será a compressibilidade do solo.

Assim, voltando à baridade do solo, é possível através do índice do material - ID classificar o solo, em termos de comportamento granulométrico e com base no módulo dilatométrico - ED, pode-se avaliar a consistência ou a compacidade.

Assim, a partir destes dois parâmetros, a baridade dos solos é estimada a partir do diagrama apresentado na figura 2. Este diagrama foi estabelecido por Marchetti e Crapps (1981).

Apesar de não existirem grandes comentários sobre a estimativa da baridade, a experiência em solos portugueses confirma a grande precisão (+ 1kN/m3) na avaliação deste parâmetro (Cruz, 1995).


3) Parâmetros de Estado

 

Coeficiente de Impluso de Repouso - K0

O coeficiente de impulso em repouso – K0 foi inicialmente correlacionado por Marchetti (1980) com o índice de tensão horizontal - KD, embora considerando que o mesmo é influenciado, para além da tensão efetiva horizontal -  ?’h, por outros fatores, como:

  • Cimentação e envelhecimento;
  • Ciclos de tensão a que o solo esteve sujeito, independentemente do incremento de ?’h;
  • Densidade relativa em solos arenosos;
  • Vibrações, em solos arenosos;
  • Sobreconsolidação natural resultante da remoção superficial.

Antes de desenvolver a expressão de Marchetti (1980) para o coeficiente de impulso de repouso é pertinente abordar o Índice de tensão horizontal - KD.

O índice de tensão horizontal - KD é obtido da relação entre a diferença da pressão inicial (P0) com a pressão na água nos poros (u0), e a tensão efetiva vertical inicial (sv0).

KD = (P0 – u0) / sv0


O Kestá associado ao histórico de tensões já aplicadas ao solo, anteriormente, sendo esta a sua maior aplicação. Em solos normalmente consolidados, o KD é constante com a profundidade e normalmente situa-se entre 1,8 e 2,3. Em solos sobreconsolidados, o valor de KD é superior a 2 e diminui com o aumento da profundidade.

Se estiver pré-definido um valor mínimo de aceitação para este parâmetro, pode aceitar-se ou rejeitar-se a compactação de um aterro.

Assim, voltando ao coeficiente de impulso de repouso – K0, para solos argilosos, Marchetti (1980) sugeriu a seguinte correlação e as seguintes condições de validade:

K0 = (KD / 1,5) 0,47 – 0,6

  • K0 > 0,3
  • Solos não sujeitos a fenómenos de cimentação, envelhecimento ou endurecimento tixotrópico e cujo grau de sobreconsolidação se deva apenas à remoção superficial.

No caso de os solos não respeitarem a segunda condição, o KD refletirá para além de ?’h, a combinação de efeitos causados por qualquer dos outros fenómenos em causa.

Sob o ponto de vista qualitativo, no caso de os valores se situarem fora dos limites do intervalo (1,8 a 2,3), mas mantendo-se constantes com a profundidade, é provável a ocorrência de qualquer dos fenómenos limitativos apontados (Marchetti,1980).

Jamiolkowski (1988) recomenda a limitação da equação de K0 anteriormente referida a solos brandos a medianamente duros que, apresentem valores de ID inferiores a 1,2.

Powell e Uglow (1988), depois de executarem ensaios SBP e DMT em solos argilosos, brandos a médios e sobreconsolidados, sugeriram uma divisão entre argilas recentes (idade inferior a 60 mil anos) e argilas envelhecidas (idade superior a 70 milhões de anos). Assim, para argilas recentes:

K0 = 0,34 KD 0,55

No caso de argilas envelhecidas afirmaram ser necessário estabelecer correlações locais, sugerindo a determinação de 2 ou 3 valores, pelos quais se traçou uma reta paralela a linha de Marchetti.

Lunne et al. propõe ainda a avaliação de K0 a partir:

K0 = 0,34 KD 0,54 se cu / ?’v ? 0,8

K0 = 0,68 KD 0,54 se cu / ?’v > 0,8

kd

Figura 3 - Avaliação de K0 (Lacasse e Lunne, 1988).

Todas as equações apresentadas não são realistas para solos arenosos. Com efeito, nestes solos o KD é controlado por ?’h e pela densidade relativa, pelo que será necessário separar os efeitos causados por estes dois fatores (Jamiolkowski, 1979; Marchetti, 1980; Campanella e Robertson, 1983).

 Entre 1980 e 1983 foi claramente demonstrada a necessidade de introduzir, na correlação K0 / KD, a densidade relativa ou o angulo de atrito - ?’, uma vez que os dois se encontram intimamente relacionados.

 Schmertmann (1983) propôs um método para avaliar K0 em função de KD e do ângulo de atrito - ?’, válida para solos com ID> 1,2 (solos arenosos). O método consiste, resumidamente, no seguinte:

 1. Obtenção de KD através do ensaio DMT;

 2. Determinação da resistência de ponta - qc obtida do ensaio CPT à mesma profundidade;

 3. Assumir um valor para K0;

 4. Estimativa do valor do ângulo de atrito para a situação de deformação plana - ? ps, de acordo com as teorias de Durgunoglu e Mitchell (1975), segundo a figura 4;

k01

Figura 4 - Diagrama para determinação de ?' com base nas teorias de Durgonuglu e Mitchell (1975).

5. Cálculo do ângulo de atrito para condições de simetria axial - ?ax , pelas seguintes expressões:

?ax = ?ps – 1/3 (?ps - 32) se ?ps > 32º

?ax = ?ps se ?ps > 32º

 6. Cálculo de K0 através de:

K0 = (40 + 23KD - 86KD (1- sen?ax) + 152(1-sen?ax) – 717(1-sen?ax)2) / 192-717(1-sen?ax)

7. Comparação do valor de K0 assim determinado, com o assumido em 3). Caso os valores difiram em mais de 10%, deve iterar-se Katé que a variação dos dois seja inferior a 10%.

Ainda para a determinação de K0 em solos arenosos, Baldi (1986) sugeriu que K0 fosse determinado com base em KD e qc, obtido do CPT através da seguinte equação:

K0 = 0,376 + 0,095 KD – 0,00172 qc / ?’v0

A precisão dos resultados é difícil de avaliar uma vez que já existe uma dificuldade latente na medição direta de K0 ou ?h. Apesar dos métodos apresentados necessitarem de validação mais intensa sobre um leque de solos mais variado é de salientar a possibilidade de utilizar o ensaio de DMT no estudo comparativo da variação das tensões horizontais em situações de escavação, escorregamentos em taludes, entre outros, de uma forma rápida e pouco dispendiosa.

Grau de sobreconsolidação - OCR

Antes de mais, é importante referir que este parâmetro tem interesse principalmente para solos argilosos.

Para argilas não cimentadas, a forma ideal dos perfis de KD é apresentada na seguinte figura:

kd argilas

Figura 5 - KD típico em argilas (Marchetti, 1980).

Da figura 5, salienta-se que:

  • Para argilas normalmente consolidadas, o KD varia entre 1,8 e 2,3;
  • Para argilas sobreconsolidadas, o KD decresce com a profundidade de forma mais abrupta no início, tendendo no final para a franja de valores relativos a argilas normalmente consolidadas;
  • Quanto maior for o grau de sobreconsolidação causado por remoção superficial, mais os perfis se movem para a direita.

Marchetti (1980) concluiu assim que os perfis KD apresentam-se como um auxiliar na obtenção de indicações sobre a história de tensões do solo. Assim realçam-se os seguintes aspetos:

  • Se KD é sensivelmente constante com a profundidade e o seu valor se situa entre 1,8 e 2,3 então, a argila é Normalmente Consolidada (NC);
  • Se KD é constante mas, de valor superior a 2,3 a argila é Normalmente Consolidada (NC), mas possivelmente envelhecida ou cimentada;
  • Se o perfil KD é do tipo da figura 5, então o depósito está em condições de descarga simples;
  • Caso o perfil não se enquadre nas três situações anteriores, então a contribuição dos vários fenómenos relativos a envelhecimento, cimentação, etc, é uma possibilidade acentuada.

Marchetti (1980) correlacionou inicialmente o grau de sobreconsolidação através da equação:

OCR = (0,5 KD) 1,56

O autor restringiu a utilização da equação a solos com ID entre 0,2 e 2,0. A equação tem ainda um campo de aplicação restringido a solos com histórias de tensões simples e que não tenham sido sujeitos a fenómenos de envelhecimento, cimentação ou endurecimento tixotrópico os quais a acontecerem, promovem valores sobrestimados.

Mais tarde, Marchetti e Crapps (1981) apresentaram correlações para todo o tipo granulométrico de solos ou seja, para qualquer valor de ID. As correlações apresentadas só são válidas para valores de OCR superiores a 0,8:

ID <1,2 OCR = (0,5 KD)1,56

ID > 2 OCR = (0,67 KD)1,91

1,2 < ID < 2 OCR = (m KD) n

Em que,

m = 0,5 + 0,17 P

n = 1,56 + 0,35 P

P = (ID – 1,2) / 0,8

Para solos arenosos, Schmertmann (1988) propôs para solos com ID > 1,2 (arenosos), não afetados por fenómenos de envelhecimento e/ou cimentação, e com grau de incerteza de 16%:

OCR = (K0 / 1 – sen ?ax) 1/0,8 sen ?ax


4) Parâmetros Resistentes

Resistência não drenada - cu (Argilas)

Marchetti (1980) combinou as equações de ladd et al. (1977):

(cu /?’v) oc = (cu / ?’v)nc OCRm

Em que:

m = 0,8

E considerando ainda válida a sugestão de Mesri (1975), de que:

(cu / ?’v)nc = 0,22

Obteve a equação final:

(cu / ?’v) = 0,22 (0,5 KD) 1,25

É de referir que os valores de cu obtidos não são correlações diretas mas sim, um restabelecimento das relações com OCR apresentadas pelos autores Mesri (1975) e Ladd et al (1977).

Marchetti comparou os resultados obtidos no conjunto inicial de ensaios com a curva resultante da equação dada (figura 6) e concluiu que:

  • Existe uma aproximação muito razoável entre os dados;
  • Alguma variação pode ser explicada pela grande variedade de ensaios de calibração utilizados;
  • A curva resultante da equação é sempre conservativa;
  • Existem indicações de que a equação se aplica também a argilas sobreconsolidadas (OC), independentemente dos fenómenos envolvidos na sobreconsolidação o que implica que, a um valor de KD elevado se sucede um valor de cu /?’v também elevado, independentemente da origem de KD.

cu

Figura 7 - Correlação entre cu / ?'v e KD.

Assim, no ensaio de DMT, cu é estimado a partir do OCR através da correlação com KD, que por sua vez está diretamente relacionado com o P0.

Foi verificado que no geral, os valores obtidos do DMT são conservativos relativamente aos obtidos com o ensaio do molinete e que, tendem a ser mais realistas nas situações de análise de estabilidade de obras de terras fundadas em solos de natureza orgânica.

Estudos citados por Lutenegger (1988) revelaram que os resultados de cu obtidos para argilas brandas a médias saturadas são coincidentes com os valores obtidos do ensaio do molinete, após aplicada a correcção de Bjerrum. Enquanto que, em solos sobreconsolidados, como a expansão necessária à rotura é bastante superior, a correlação apresenta uma precisão inferior.

Powell and Uglow (1988) verificaram que os valores obtidos para argilas recentes correspondem à linha de Marchetti, enquanto que para argilas envelhecidas os valores alinham-se paralelamente à linha de Marchetti (figura 8).

correlao cu

Figura 8 - Correlação entre o cu/ ?'v e KD (Poweel e Uglow, 1988).

Ângulo de atrito efetivo - ?' (areias)

Considerando as teorias de Durgunoglu e Mitchell (1975), Marchetti apresentou um método para determinação do ângulo de atrito efetivo - ?’, baseando-se em KD e na resistência de ponta qc, obtida do CPT.

Calculando o K0 a partir da seguinte equação:

K0 = 0,376 + 0,095 KD – 0,00172 qc / ?’v0 

A partir da equação anterior e conhecendo os valores de qc / ?’v obtém-se o ângulo de atrito para condições de deformação plana, ?ps, a partir do seguinte gráfico:

grfico fi

Figura 9 - Correlação para determinação de ?' com base em KD (Campanella e Robertson, 1991).

Ainda relacionado com a figura anterior, Campanella e Robertson (1991), encontrando o valor para a relação qc /?’v e KD, propõem a escala do lado direito para que a determinação deste parâmetro possa ser efetuada somente com base no DMT. É ainda necessário estimar um valor para K0 e embora se trate de uma aproximação grosseira, este não terá grande influência sobre o valor de ?'.

Mais tarde, em 1996, Marchetti apresenta a correlação experimental, reconhecidamente conservativa:

?’ = 28 + 14,6 logKD – 2,1 log2 KD

Dos métodos apresentados para o cálculo deste parâmetro é de salientar a dependência que existe entre ?’ e K0 e dessa forma, é importante que a análise destes parâmetros seja feita em conjunto. 

5) Parâmetros de Deformabilidade

Sendo o Módulo Dilatométrico - ED

E / (1 - ?2) = 34,7 ?P

E/ (1 - ?2) = ED

Módulo de Deformabilidade Confinado – M

Marchetti efetuou uma primeira tentativa de correlação entre índices dilatométricos e a deformabilidade dos solos, procurando estabelecer uma ligação entre ED e o módulo de deformabilidade tangente confinado, definido como:

M = ??'v / ??v

Partindo do princípio que a relação ED / M deveria depender de uma grande variedade de parâmetros concluiu que não deveria ser esperada uma relação única. Por outro lado, o ensaio DMT fornece mais dois índices, ID e KD, que encerram informações sobre o tipo de solo e a respetiva história de tensões.

Com base em dados obtidos em campanhas de caracterização geotécnica, Marchetti (1980) apontou as seguintes particularidades:

  • Não existe uma proporcionalidade única entre M e ED, isto é, RM = M/ED não é constante;
  • O valor RM tende a aumentar com o incremento de KD, parecendo desde logo importante a sua inclusão na correlação;
  • Embora não tenha sido objeto de estudo exaustivo, ID parece ter menor influência na correlação, salvo nos casos em que KD apresenta valores muito reduzidos. Assim, os módulos de deformabilidade dos diferentes tipos de solo devem ser calculados segundo leis de variação similares;
  • A correlação pode ser escrita do seguinte modo:

M = RM ED

RM = 0,14 + 2,36 ln KD para ID < 0.6

RM = RM0 + (2,5 - RM0) ln KD para 0,6 < ID < 3,0

RM = 0,5 +2 ln KD para ID > 3,0

RM = 0,32 + 2,18 ln KD para ID > 10

RM0= 0,14 + 0,36 (ID – 0,6) / 2,4

O valor mínimo admissível para RM é 0,85, pelo que se o cálculo fornecer valores inferiores, deverá ser tomado RM = 0,85.

  • Em solos arenosos exibindo cimentação, as fórmulas apresentadas responde favoravelmente, o que parece refletir a dependência de RM em relação a KD, independentemente da origem do mesmo;
  • Os valores de M aplicam-se para pequenos incrementos de carga, até valores próximos da tensão de pré-consolidação - ?'p. Para valores de incrementos superiores, o valor M subestima o comportamento real do solo.

Vários autores, ente os quais Lacasse e Lunne (1982) testaram ainda a correlação anterior apresentada por Marchetti e verificaram que a mesma também é bastante razoável para solos argilosos brandos a médios e em solos arenosos normalmente consolidados, com predominância de minerais siliciosos.

Jamiolkowski (1985), retirou ainda as seguintes conclusões:

  • A correlação de M / ED de Marchetti (1980) parece ser razoavelmente precisa na determinação do módulo tangente confinado para solos argilosos brandos a médios, a níveis de tensão próximos de ?’v0;
  • A primeira conclusão aplica-se também a solos arenosos, mas o nível de tensão limite não é necessariamente ?’v0;
  • No que se relaciona com depósitos sobreconsolidados a experiência é demasiado escassa para que sejam obtidas conclusões suficientes.

Jamiolkowski (1985) refere ainda algumas limitações induzidas pelo DMT, para a obtenção dos parâmetros de deformabilidade:

  • A penetração do equipamento implica que a medição seja efetuada numa situação de recarga, o que conduz a uma menor adequabilidade para avaliar módulos de deformabilidade quando o nível de tensão ultrapassa ?'p;
  • Quase toda a experiência acumulada refere-se a depósitos do tipo argiloso, marinho ou fluvial, siltosos e arenosos predominantemente quartzosos.

Na figura seguinte (figura 10), apresenta-se um estudo comparativo baseado nos ensaios DMT e edométrico feito por Cruz et al (2006) onde são apresentados os resultados obtidos em campos experimentais portugueses (rios Vouga, Mondego e Tejo).

m vs. edmt

Figura 10 - Estudo comparativo baseaso nos ensaios DMT e edométrico (Cruz et al., 2006).

Módulo distorsional - G0

Os trabalhos que abordam este parâmetro evidenciam duas aproximações distintas:

Uma procura relacionar o G0 com o ED. Em que, a relação geral G0/ED (=RG) seria de 7,5 para solos argilosos (Tanaka & Tanaka, 1998) e de cerca de 2,5 para solos arenosos (Jamiolkowski, 1985; Baldi, 1986).

Cruz et al. (2006) encontra, mais tarde, uma correlação mais generalista, aplicável a todos os tipos de solo. Para tal, introduz na equação o parâmetro dilatométrico - ID (identificador do tipo de solo), ficando a expressão:

G0 / ED = 3,94 ID – 0,6117

Para valores de ID associados a argilas puras e areias limpas obtêm-se valores convergentes com as correlações de Tanaka & Tanaka, Jamiolkowski (1985) e Baldi (1986).

A outra aproximação, indicada por Hryciw, R.D. (1990), diz que as correlações baseadas em ED seriam afetadas pelos diferentes níveis de deformação associados à determinação de G0 e de ED. Posto isto, o autor propôs um novo método, aplicável a todo o tipo de solos em que substituiu as variáveis: ?’0 e o índice de vazios - e por K0 ? e, ?’v0 todos derivados do DMT:

g0

Tambem é possível obter o módulo distorcional através do ensaio SDMT, como se verificará adiante.  


6) Parâmetros em Intermediate Geomaterials (IGM)

No caso dos solos residuais de alteração dos granitos portugueses, Cruz (2010) demonstrou a sensibilidade do ensaio DMT relativamente à estrutura de cimentação e à sucção, a partir de uma experiência de calibração com solos artificialmente cimentados, em célula de grandes dimensões (1mx1mx1,5m) e com controlo das condições de saturação, sucção, tempo de cura e ainda com determinação da velocidade das ondas de corte em condições saturadas e não saturadas. Na sequência da experiência foram desenvolvidas as expressões de cálculo (aplicáveis aos solos residuais graníticos do Norte de Portugal) apresentadas na seguinte tabela:

Tabela 2 - Avaliação dos parâmetros geotécnicos em solos residuais do Porto (Cruz, 2010).

tabela igm

Da tabela anterior, destaca-se a subdivisão do parâmetro resistente de coesão global, c'g, em coesão efectiva resultante da estrutura de cimentação, c', e sucção, (ua – uw), permitindo uma avaliação em condições saturadas ou não saturadas.