Cone cíclico : efeito da degradação na resistência de solos granular e fino

Abstract

Carregamento cíclico axial encontra-se presente em numerosas obras de engenharia, como estruturas offshore e aerogeradores. Todavia, o projeto geotécnico é, geralmente, balizado por parâmetros obtidos com a análise de ensaios monotônicos (e.g., cone) que não permitem considerar a degradação dos parâmetros de resistência sob os ciclos de carga. Assim, baseado em uma série de ensaios com um minicone cíclico em câmara de calibração, um método será proposto como alternativa à atual investigação geotécnica de campo. Permitindo assim o estudo do comportamento de solos com ensaios de cone sob condições cíclicas de cravação, e com isso estabelecer uma confiável correlação da degradação do atrito lateral com os ciclos de carga. No estudo em pauta foram avaliados dois materiais diferentes: uma areia e um silte. As condições aplicadas a ambos os materiais foram idênticas. Em termos de degradação da resistência de ponta, areia e caulim apresentam um aumento da resistência que se estabiliza com os primeiros ciclos de carga. Assim, com o aumento do número de ciclos existe uma contínua recuperação da reação do solo na ponta do cone que está relacionanda à gradual compactação nesta região com os ciclos de carga. Em relação ao atrito lateral, com o primeiro ciclo de carga existe a degradação de fs, associada à redução das tensões normais, devido a reversão da carga atuante na luva do cone. Qualitativamente, o comportamento destes solos apresenta um strain-softening em termos de resistência lateral, que se acentua com o aumento do número de ciclos e da amplitude das deformações, até atingir um valor assintótico com aproximadamente 20 ciclos de carga. Contudo, quantitativamente, este comportamento de degradação mostrou-se bastante diferente. Enquanto a areia degrada cerca de 70% da resistência máxima até atingir o valor residual, o caulim degrada apenas 30%. Além disso, se considerarmos que a fadiga por atrito da luva do cone se refere a um valor de resistência lateral sob cargas cíclicas inferior a sem estas cargas, o caulim não apresenta degradação. O comportamento foi associado a fábrica do material: areia com uma matriz de partículas granulares com alto grau de atrito interpartículas vs partículas em placas com baixo atrito interpartículas. Ainda em relação ao comportamento observado, os resultados convergiram para um valor final único de fs, independentemente das condições de estado do material e das características do carregamento cíclico aplicado. Especialmente na areia isto é indicativo de que se atingiu o estado crítico do material direcionando ao limite de resistência do fuste. Um exercício de validação dos dados obtidos com o minicone é proposto, nas condições monotônicas e cíclicas, pela comparação com dados da literatura em cones e ensaios fundações profundas. Este exercício apresentou uma boa concordância entre os resultados, demonstrando a validade dos dados obtidos. Por fim, um modelo matemático da degradação do atrito lateral foi proposto, cujo mostrou excelente ajuste com dados da literatura acerca da degradação da resistência do fuste com os ciclos de carga. O conjunto de resultados compilados apresentam o potencial de nortear projetos em fundações profundas, onde cargas cíclicas sejam relevantes. Além disso, se associados a pesquisas futuras, estes resultados podem viabilizar a utilização do emprego de uma metodologia de CPT cíclico, auxiliando a concepção de projetos de estacas nas condições de carregamento cíclico.

Axial cyclic loading is present in several engineering works, such as offshore structures and wind turbines. However, the geotechnical design is generally guided by parameters obtained through the analysis of monotonic testing (e.g., cone), not considering cyclic loads and, therefore, not allowing the strength degradation evaluation during loading cycles. Thus, based on a series of tests with a cyclic minicone in a calibration chamber, a method will be proposed as an alternative to the current field geotechnical investigation. Allowing the study of soil behavior through cone tests performed under cyclical driving conditions, and thereby establishing a reliable correlation between lateral friction degradation and loading cycles. In this study, two different materials were evaluated: sand and silt. The applied boundary conditions were identical to both materials. In terms of tip strength degradation, sand and kaolin showed an increase in strength, stabilizing in the first load cycles. With the increase of cycling number, the recovery of the tip reaction may be related to the gradual compaction of soil at the cone end during cyclic loading. Regarding lateral friction, with the first load cycle, a degradation of fs is noted, associated with the reduction of normal stresses, due to the reversal of the load acting on the cone sleeve. Qualitatively, both soils presented a strain-softening of the lateral strength, accentuated with the increase of cycles and amplitude until an asymptotic value (approximately 20 load cycles). Quantitatively, the degradation behavior was quite different. While the sandy soil presented a maximun strength degradation of approximately 70%, the silty soil degraded only 30%. Apart from that, if we consider the fatigue degradation of cone shaft resistance refers to the lower level of shaft resistance less under cyclic load than that without cyclic load, the kaolin has no damage. The behavior was associated with the material fabric: sand with a matrix of granular particles with a high degree of interparticle friction vs. particles in a plate shape with low interparticle friction. The results converged to a single fs final value, regardless of the materials state conditions and the cyclic loading characteristics. Especially for the sandy soil, this behavior indicates that the material critical state had been reached, leading to the strength limit of the shaft. A validation exercise of the minicone results was proposed, both in monotonic and cyclical conditions, through the comparison of the experimental data with literature results. This exercise showed a fair agreement between the results. Finally, a mathematical model of the lateral friction degradation was proposed, which showed an excellent fit with literature data on shaft strength degradation during loading cycles. The set of results has the potential to guide projects on deep foundations, where cyclical loads are relevant. In addition, if associated with future research, these results may serve as a bridge for a cyclic CPT methodology, helping to design pile projects under cyclic loading conditions.