Estudo teórico-experimental da propagação de ondas na haste de sondagem do ensaio SPT

Abstract

O ensaio de sondagem SPT (Standard Penetration Test) é sem dúvida o sistema de sondagem mais utilizado no Brasil e no mundo pela engenharia geotécnica e de funda-ções. A sua simplicidade e robustez, aliadas ao baixo custo do equipamento e à expe-riência empírica acumulada na sua execução e interpretação, fazem deste teste uma ferramenta indispensável à prática de engenharia. Contudo, o ensaio tem sido objeto freqüente de críticas, que abrangem aspectos relacionados à dispersão de resultados, dependência do operador e diversidade de equipamentos e procedimentos. Esta falta de uniformidade tem como principal conseqüência uma variabilidade significativa da energia que de fato chega ao solo na extremidade do amostrador, responsável pela sua ruptura e conseqüentemente correlacionada aos resultados do ensaio. O presente trabalho é parte de uma investigação experimental mais ampla, na qual foi realizada a monitoração de energia durante a cravação do amostrador no ensaio SPT, bem como da identificação dos fatores que influenciam sua medição. Além desse trabalho expe-rimental, um modelo numérico do SPT também foi desenvolvido, que por sua vez é o tema central deste trabalho. O modelo consiste em um esquema de discretização para o sistema completo (martelo, hastes, amostrador e solo), no qual as equações de equilí-brio dinâmico são resolvidas por meio de diferenças finitas. No ponto de contato entre martelo e haste são impostas condições de contorno especiais, de forma a assegurar a compatibilidade de deslocamentos durante o impacto do martelo. O solo imediata-mente abaixo do amostrador é representado pelo modelo de Smith. Os resultados das simulações indicam que a energia medida no tempo, em diversos pontos da haste e no solo, depende de fatores usualmente não considerados, tais como o repique do martelo e o comprimento da haste, bem como da própria penetração do amostrador, que pode representar um acréscimo significativo no valor padrão da energia potencial inicial do sistema. Estes resultados numéricos são finalmente comparados com observações experimentais.

From the various methods of ground investigation currently practicised worldwide, the Standard Penetration Test, SPT, remains as the most popular, widely used in situ testing technique. Given its simplicity, low cost and robust-ness, along with the large empirical experience gathered in different geomate-rials, this technique is recognized as a valuable engineering tool in geotechni-cal practice. However, there are still some important aspects of interpretation that are open to debate, most of them related to scatter in test data produced by the highly variable energy delivered to the SPT rods, which are believed to de-pend on both the type of equipment and test procedure. Until recently, research efforts have not produced a sounding approach to assess the energy reaching the sampler, which is responsible for the sampler penetration and is therefore directly correlated to soil shear strength properties. The present work is part of a comprehensive research program reported by Odebrecht (2003), which include measurements of the energy contained in the stress wave that propagates down the drill rods as well as the identification of the most relevant factors affecting these measurements. Besides the expe-rimental work, a numerical model was developed to simulate the propagation mechanism. This model consists of a discretization of the complete SPT system, including hammer, rods, sampler and soil, in which the associated dynamic equilibrium equations are solved by means of a finite differences scheme in time domain. Special boundary conditions are applied to the contact surface between hammer and rod top, in order to ensure displacement compatibility during impact. The soil beneath the sampler tip is modeled as elasto-perfectly plastic, according to Smith (1960). Results from the simulations indicate that the energy transmitted to the sampler-soil system is a function of the length of the rods, the secondary im-pacts of the hammer and the permanent penetration of the sampler. These effects, often disregarded in practice, should be considered when calculating the potential energy delivered by the SPT.