Desenvolvimento de metodologia e interpretação de ensaio de cone cíclico - CPTc

Abstract

O efeito de carregamentos cíclicos em fundações e o comportamento de solos sob esse tipo de solicitação ainda são temas pouco explorados na geotecnia clássica. Com o aumento da complexidade e do porte das estruturas, como em sistemas offshore, torres de transmissão e edifícios altos, torna-se necessária a ampliação do conhecimento acerca da degradação cíclica do solo. Neste contexto, esta tese investiga a resposta do solo submetidos a carregamentos cíclicos por meio do ensaio de cone cíclico (CPTc). Para viabilizar a pesquisa, foi desenvolvido um equipamento de cravação hidráulico com sistema de automação capaz de impor deslocamentos cíclicos controlados durante a execução do ensaio. Também foram definidos procedimentos padronizados, abrangendo controle de amplitude, velocidade, número de ciclos, aquisição e tratamento de dados. O programa experimental foi conduzido em solo residual de comportamento coesivo-friccional, avaliando-se diferentes amplitudes de deslocamento (10, 20 e 30 mm) e profundidades de aplicação dos ciclos. Os resultados evidenciaram degradação da resistência de ponta, do atrito lateral e da rigidez ao longo dos ciclos, com tendência assintótica a valores estabilizados. Verificou-se que a resistência de ponta apresenta degradação mais acentuada, enquanto o atrito lateral sofre redução mais suave e estável. A rigidez refletiu, de forma integrada, as contribuições desses dois mecanismos, representando adequadamente a resposta global do sistema solo-cone. A análise estatística e a modelagem matemática das curvas permitiram ajustar funções de potência representativas do comportamento do solo, bem como definir envelopes empíricos capazes de contemplar a dispersão observada. Os resultados possibilitaram propor expressões de degradação cíclica passíveis de aplicação em modelagens numéricas e análises de dimensionamento de fundações. De forma complementar, modelos numéricos em elementos finitos foram empregados na reprodução dos ensaios CPTc e de provas de carga laterais cíclicas, fornecendo resultados compatíveis com as tendências experimentais e reforçando a viabilidade de utilização dos parâmetros obtidos a partir do CPTc em análises mecânicas e de projeto. O conjunto desenvolvido: equipamento, procedimento, interpretação dos resultados e verificação numérica complementar, constitui uma metodologia aplicável à avaliação do comportamento cíclico de solos por meio de ensaios de campo.

The effects of cyclic loading on foundations and the behavior of soils under this type of loading are still topics that have been little explored in classical geotechnics. With the increasing complexity and scale of structures, such as offshore systems, transmission towers, and high-rise buildings, there is a growing need to expand the understanding of cyclic soil degradation. In this context, this thesis investigates the response of soils subjected to cyclic loading through the cyclic cone test (CPTc). To make this research possible, a hydraulic pushing system with an automation unit capable of imposing controlled cyclic displacements during CPT execution was developed. Standardized testing procedures were also established, including amplitude control, loading rate, number of cycles, data acquisition, and data processing. The experimental program was carried out in a residual soil with cohesive-frictional behavior, evaluating different displacement amplitudes (10, 20, and 30 mm) and depths of cyclic loading application. The results showed degradation of tip resistance, sleeve friction, and stiffness throughout the loading cycles, with an asymptotic tendency toward stabilized values. Tip resistance exhibited more pronounced degradation, whereas sleeve friction showed a smoother and more stable reduction. Stiffness reflected, in an integrated manner, the contributions of these two mechanisms, adequately representing the overall response of the soil-cone system. Statistical analysis and mathematical modeling of the degradation curves made it possible to fit power functions representative of soil behavior, as well as to define empirical envelopes capable of accounting for the observed variability. The results enabled the proposal of cyclic degradation expressions suitable for application in numerical modeling and foundation design analyses. As a complementary step, finite element models were used to reproduce the CPTc tests and cyclic lateral load tests, providing results consistent with the experimental trends and reinforcing the feasibility of using parameters obtained from CPTc in mechanical analyses and design applications. The overall framework developed: equipment, procedures, interpretation of results, and complementary numerical verification, constitutes a methodology applicable to the evaluation of cyclic soil behavior by means of in situ testing.