dissertacao leonardo preussler revisada

8/18/2019 Dissertacao Leonardo Preussler Revisada

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LEONARDO APPEL PREUSSLER

CCOONNTTRRIIBBUUIIÇÇÃÃOO AAOO EESSTTUUDDOO DDAA DDEEFFOORRMMAABBIILLIIDDAADDEE DDEE CCAAMMAADDAASS DDEE PPAAVVIIMMEENNTTOO

Dissertação apresentada à EscolaPolitécnica da Universidade de SãoPaulo para obtenção do Título deMestre em Engenharia deTransportes.

São Paulo

2007


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LEONARDO APPEL PREUSSLER

CCOONNTTRRIIBBUUIIÇÇÃÃOO AAOO EESSTTUUDDOO DDAA DDEEFFOORRMMAABBIILLIIDDAADDEE DDEE CCAAMMAADDAASS DDEE PPAAVVIIMMEENNTTOO

Dissertação apresentada à Escola

Politécnica da Universidade de SãoPaulo para obtenção do Título deMestre em Engenharia deTransportes.

Área de Concentração:Engenharia de Transporte

Orientadora:Profa. Dra. Liedi Legi B. Bernucci

São Paulo

2007


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Este exemplar fo i revisado e alterado em relação à versão orig inal, sobresponsabilidade única do autor e com a anuência de seu orientador.

São Paulo, 19 de dezembro de 2007.

Assinatura do autor ____________________________

Assinatura do or ientador _______________________

FICHA CATALOGRÁFICA

Preussler, Leonardo AppelContribuição ao estudo da deformabilidade de camadas de

pavimento / L.A. Preussler. -- ed.rev. -- São Paulo, 2007.80 p.

Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica da Universidade

de São Paulo. Departamento de Engenharia de Transportes.

1.Compactação dos solos 2.Pavimentação 3.Pavimentação(Ensaios) I.Universidade de São Paulo. Escola Polit écnica. De-partamento de Engenharia de Transportes II.t.


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DEDICATÓRIA

Aos meus pais, Doris e Ernesto, pela

dedicação e companheirismo.


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RESUMO

Os processos adotados no controle tecnológico das obras de pavimentação mantêm,

ainda, procedimentos e metodologias convencionais que fornecem subsídios técnicos

para uma avaliação indireta das propriedades mecânicas das camadas do pavimento e

da estrutura como um todo, muitas vezes insuficientes para a interpretação das

condições de deformabilidade in situ dos pavimentos. O trabalho proposto constitui

uma contribuição para o aperfeiçoamento das técnicas de controle tecnológico de

obras rodoviárias com a determinação das propriedades mecânicas e de

deformabilidade das camadas de pavimento e terrapleno a partir de ensaios

dinâmicos de campo com o uso do equipamento Light Weight Deflectometer

(LWD). São apresentadas proposições de metodologias para aplicação sistemática do

LWD na avaliação e diagnóstico das propriedades mecânicas de sistemas de camada

de pavimento, bem como, no controle tecnológico de obras de pavimentação. O

escopo do trabalho é fundamentalmente de natureza experimental com a

apresentação de estudo de caso realizado pelo autor em obras viárias em andamento,

incorporando-se também resultados de pesquisas e estudos disponíveis na literatura

internacional. Buscou-se definir procedimentos e metodologias específicas para a

obra da BR-101/NE, que possibilitassem a aplicação dos ensaios dinâmicos com o

LWD na totalidade do empreendimento de forma homogênea e padronizada,

empregando-se também relações que facultam a determinação das propriedades

mecânicas das camadas dos pavimentos com exatidão e representatividade. Para os

objetivos em questão foi programado experimentos em seções testes da rodovia,

segmento situado entre a cidade de João Pessoa e a divisa dos estados dePernambuco e Paraíba (lote de obra 5), no qual foram previstos ensaios com o DCP -

cone de penetração, LWD e Falling Weight Deflectometer (FWD), bem como a

caracterização completa dos solos e materiais constituintes das camadas finais de

terraplenagem.


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ABSTRACT

The adopted process in technological control of pavement work, maintains yet,conventional procedures and methodologies that supply technical subsidies for an

indirect evaluation about mechanical properties of pavement layers, and the structure

as a whole, many times insufficient for an interpretation in situ deformability

conditions of the pavement. The proposed work consists of a contribution for the

improvement of the technological control of road work techniques with the

determination of mechanical properties and the deformability of pavement layers

from dynamic fields rehearsals, using the Light Weight Deflectometer (LWD)equipment. Methodology propositions will be present for the systematic application

of LWD in evaluations and diagnostic of the mechanical properties of pavement

layers system, as well as, pavement works technological control. The paper scope is

fundamentally about experimental nature, with the presentation about case studies

accomplished by the author in road works in process, also incorporating research

results and available studies of international literature about this topic. It was looked

to define specific procedure and methodology for the BR-101/NE works, which the

application in LWD dynamic rehearsals can be made possible, in enterprise totality

in homogeneous and patronized form, use them also in relations that allow the

pavement layers mechanical property determination with the owed accuracy

warranty. For the objectives in question, were programmed experiments in road tests

sections, this one situated between João Pessoa city and the boundary with

Pernambuco state, that were foreseen rehearsals with the DCP – Dynamic Cone

Penetrometer, LWD and Falling Weight Deflectometer (FWD), as well as the full

characterization of soils and materials constituted by the final layers of leveling.


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SUMÁRIO

LISTA DE FIGURASLISTA DE TABELAS

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 2

1.1 Antecedentes ................................................................................................ 2

1.2 Objetivos ...................................................................................................... 3

1.3 Estrutura do Trabalho................................................................................... 4

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................ 62.1 Compactação................................................................................................ 6

2.1.1 Ensaios de Compactação em Laboratório.................................................... 8

2.1.2 Compactação de Campo............................................................................. 12

2.1.3 Controle de Compactação .......................................................................... 15

2.2 Propriedades Mecânicas dos Materiais ...................................................... 18

2.2.1 California Bearing Ratio - CBR.................................................................18

2.2.2 Módulo de Resiliência dos Solos ............................................................... 19

2.2.3 Ensaios de Campo......................................................................................22

2.2.3.1 Cone de Penetração Dinâmico ou Dynamic Cone Penetrometer - DCP... 22

2.2.3.2 Deflectometria........................................................................................... 25

2.3 Retroanálise de Módulos de Resiliência .................................................... 33

2.3.1 Princípios da Retroanálise.......................................................................... 33

2.3.2 Correlações Existentes do Módulo de Resiliência e do CBR ....................35

2.3.3 Correlações Existentes entre DCP e CBR.................................................. 36

2.3.4 Correlações Existentes entre DCP e Módulo de Resiliência do Subleito .. 372.3.5 Correlações Existentes entre o Módulo de Resiliência obtido pelo LWD eoutros ensaios......................................................................................................... 38

2.4 Considerações Gerais................................................................................. 39

3 ESTUDOS DE CASOS .....................................................................................41

3.1 Complexo Industrial de Celulose............................................................... 41

3.2 Indústria de Tubos Soldados...................................................................... 45

3.3 Concessionária de Rodovias Autoban: Rodovia SP-330(Anhanguera),

Trevo no km 62. ..................................................................................................... 473.4 Estudo de Caso Rodovia BR-101 NE. ....................................................... 56


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3.4.1 Introdução .................................................................................................. 56

3.4.2 Seção teste.................................................................................................. 57

3.4.3 Seção Teste I – Estaca 2646 a 2664........................................................... 583.4.3.1 Resultados .................................................................................................. 60

3.4.4 Seção Teste II – Estaca 2403 a 2383.......................................................... 62

3.4.4.1 Resultados .................................................................................................. 65

3.4.4.2 Análise dos Perfis Transversais – Seção Teste II....................................... 66

3.4.5 Análise da Relação – Df LWD x Rolo Compactador – Estaca 2450 a 2454. .................................................................................................................... 66

3.4.6 Análise dos Resultados das Seções Testes.................................................69

3.4.7 Proposição de Metodologia para Controle de Qualidade........................... 724 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA NOVAS PESQUISAS...................... 76

REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICA......................................................................... 79

ANEXOS


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LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 – Curvas Compactação de Solos com diferentes energias (Pinto, 2000) . 11Figura 2.2 – Compactador Proctor (Svedala Dynapac, 2000). .................................. 11

Figura 2.3 – Compactação Carga Estática (Svedala Dynapac, 2000)........................ 13

Figura 2.4 - Compactação Carga Vibratória (Svedala Dynapac, 2000)..................... 14

Figura 2.5 – Compactação Carga Impacto (Svedala Dynapac, 2000). ...................... 14

Figura 2.6 – Abertura Orifício ................................................................................... 16

Figura 2.7 – Funil de Areia ........................................................................................16

Figura 2.8 – Speedy ................................................................................................... 17Figura 2.9 - Desenho esquemático do equipamento de ensaios triaxias de carga

repetida (Pinto e Preussler, 2002). ............................................................................. 22

Figura 2.10 – Equipamento - Cone Dinâmico ........................................................... 23

Figura 2.11 - Gráfico de Exemplo - mm/golpe x Profundidade (Dynatest, 2004)..... 23

Figura 2.13 – Ensaio com LWD ................................................................................ 31

Figura 2.14 – Visão geral do equipamento e registro no Palm Top (a) e Detalhe do

transmissor de sinal (b) (Dynatest, 2006) ..................................................................33

Figura 2.15 – Comparativo bacias de deflexão obtida em campo e retroanalisada... 34

Figura 3.1 – Croqui da área de teste com LWD......................................................... 42

Figura 3.2 – LWD Complexo Industrial .................................................................... 43

Figura 3.3 – Croqui da área de teste com LWD - TSA.............................................. 45

Figura 3.4 – Croqui da área de teste com LWD e FWD – Trevo Anhanguera.......... 48

Figura 3.5 – FWD Ramo 200..................................................................................... 49

Figura 3.6 – LWD Ramo 200.....................................................................................48

Figura 3.7 – Gráfico Módulo Resiliente – E LWD x E FWD (Ramo 1000 B).......... 52

Figura 3.8 – Gráfico Módulo Resiliente – E LWD x Ec (Ramo 1000 B).................. 52

Figura 3.9 – Gráfico Módulo Resiliente – E LWD x E FWD (Ramo 200 B)............ 53

Figura 3.10 – Gráfico Módulo Resiliente – E LWD x Ec (Ramo 200 B).................. 53

Figura 3.11 – Gráfico Módulo Resiliênte x Carga (Ramo 200 B)............................. 54

Figura 3.12 – Gráfico Deflexão – Df LWD x Df FWD (Ramo 800)......................... 54

Figura 3.13 – Gráfico Deflexão – Df LWD x Df FWD (Ramo 200 A).....................55

Figura 3.14 – Gráfico Deflexão – Df LWD x Df FWD (Ramo 1000 A)...................55


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Figura 3.15 – Seção Teste – Rodovia BR-101/NE .................................................... 58

Figura 3.16 – Terraplenagem - Seção Teste 1............................................................58

Figura 3.17 – Ensaio de Deformabilidade com Viga Benkelman - Seção Teste 1 .... 59Figura 3.18 – Funil de Areia – determinação grau de compactação - Seção Teste 1 59

Figura 3.19 – Ensaio de Deformabilidade com LWD - Seção Teste 1 ......................59

Figura 3.20 – Gráfico Deflexão (LWD) x Deflexão (Viga) - Seção Teste 1............. 60

Figura 3.21 – Gráfico Módulo Elasticidade LWD x CBR% Cone - Seção Teste 1 .. 61

Figura 3.22 – Gráfico Deflexão (LWD) x PR Cone - Seção Teste 1......................... 61

Figura 3.23 – Localização dos Ensaios – Seção Teste 2............................................ 62

Figura 3.24 – Ensaios de Deformabilidade com Viga e FWD – Seção Teste 2 ........ 63Figura 3.25 – Ensaio de Deformabilidade com FWD – Seção Teste 2...................... 63

Figura 3.26 – Ensaio de Deformabilidade com LWD – Seção Teste 2 .....................63

Figura 3.27 – Ensaio de Grau de Compactação – Seção Teste 2............................... 64

Figura 3.28 – Ensaio de Deformabilidade com LWD – Seção Teste 2 .....................64

Figura 3.29 – Ensaio de penetração com DCP – Seção Teste 2 ................................ 64

Figura 3.30 – Evolução da densificação e redução da deflexão com a compactação de

um rolo pé-de-carneiro (Estaca 2450)........................................................................ 67





Figura 3.33 – Seção Teste – Metodologia Proposta................................................... 73


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LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 – Resumo dos Ensaios de Compactação (Lambe e Whitman, 1970)....... 10Tabela 3.1 – Síntese dos Resultados com LWD - Complexo Industrial....................43

Tabela 3.2 – Síntese dos Resultados com LWD – TSA.............................................46

Tabela 3.3 – Estrutura de Pavimento – Trevo Anhanguera ....................................... 47

Tabela 3.4 – Tabela Resumo dos Resultados – Trevo Autoban ................................ 50

Tabela 3.5 – Linhas Transversais – Seção Teste 2..................................................... 66

Tabela 3.6 – Correlações Obtidas – Seção Teste 1.................................................... 69

Tabela 3.7 – Correlações Obtidas – Seção Teste 2.................................................... 70Tabela 3.8 – Valores Médios – Seção Teste 2 ........................................................... 70

Tabela 3.9 – Cálculo do Módulo de Elasticidade – Seção Teste II............................ 71


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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AASHTO - American Association of State Highway and Transportation OfficialsBGS - Brita graduada simples

BGTC - Brita graduada tratada com cimento

CBR - California Bearing Ratio

DCP - Cone de Penetração Dinâmico ou Dynamic Cone Penetrometer

DNER - Departamento Nacional de Estradas de Rodagem

DNIT - Departamento Nacional de Infra-estrutura de Transportes

Df - Deflexão (µm)E - Módulo de Elasticidade (MPa)

ELMOD – Evaluation of Layer Moduli and Overlay Design

FWD - Falling Weight Deflectometer

GC - grau de compactação (%)

K – Coeficiente de recalque ou módulo de reação

LWD - Light Weight Deflectometer

MR - módulo de deformação resiliente (MPa)

Ph - massa do solo úmido (g)

Pa - massa da areia (g)

PR - penetração (mm/golpe)

R - Raio do prato de carga (mm)

γh - massa específica aparente do solo úmido (g/cm³)

γa - massa específica aparente da areia (g/cm³)

γs - massa específica aparente seca do solo (g/cm³)

w - teor de umidade do solo (%)

γsl - massa específica aparente seca máxima do solo obtida em laboratório (g/cm³)

σd - tensão desvio aplicada repetidamente (MPa)

εR - deformação axial resiliente (mm/mm)

∆h - deslocamento vertical recuperável ou resiliente (mm)

ν - Coeficiente de Poisson

σ - Tensão aplicada (kPa)


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1-INTRODUÇÃO


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1 INTRODUÇÃO

1.1 Antecedentes

O controle tecnológico das obras de pavimentação tem uma influência relevante no

sucesso do empreendimento, pois garante o desempenho da estrutura em

conformidade com as premissas do projeto e, consequentemente, a eficiente

aplicação dos recursos públicos ou privados. Este aspecto é consenso entre técnicos

da área rodoviária, que atuam seja em projetos como diretamente em obras.

Têm-se observado com freqüência muitos casos de obras de pavimentação com

problemas prematuros em relação às expectativas de projeto, os quais vêm

estimulando a realização de estudos especiais com vistas à análise das possíveis

causas que estariam concorrendo para o aparecimento precoce das mesmas, em

especial quando se trata de pavimentos com elevados volumes de tráfego ou expostos

sob condições climáticas adversas.

Destacam-se as limitações das metodologias e procedimentos convencionais

empregados no controle tecnológico das obras de pavimentação, como forma de

avaliar in situ o comportamento estrutural das camadas dos pavimentos face às

premissas estabelecidas em projeto e de prever problemas prematuros.

Os processos adotados no controle tecnológico das obras de pavimentação mantêm,

ainda, procedimentos e metodologias convencionais que não fornecem suficientes

subsídios técnicos para uma avaliação indireta das propriedades mecânicas das

camadas do pavimento e da estrutura como um todo. Muitas vezes os dados extraídos

do controle de campo são insuficientes para a interpretação das condições de

deformabilidade in situ dos pavimentos. Além disso, tais processos de controle

convencionais, vem se tornando ineficazes em face da elevada produtividade dos

novos métodos e equipamentos de construção rodoviária.


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3

Ressalta-se também a importância da experiência acumulada pelos técnicos que

respondem pela construção de obras rodoviárias quando se trata de estabelecer

relações entre “Laboratório e Campo”, com o objetivo de inferir as variáveis queafetam diretamente o desempenho dos pavimentos. É preciso obter resultados em

laboratório ou in situ no controle tecnológico que se relacionem com o

comportamento mecânico de campo, seja por meio de fatores ou diretamente.

Tendo em vista as considerações apresentadas, têm-se verificado nesses últimos anos

o significativo avanço tecnológico nos meios de controle de qualidade das obras,

destacando-se o desenvolvimento e a implementação de equipamentos e métodos que permitem a avaliação direta in situ das características de resistência e de

deformabilidade das camadas dos pavimentos. Esses equipamentos e as

metodologias de análise a eles associadas, quando aplicados no controle de qualidade

de obras rodoviárias, mostram vantagens significativas com relação aos

procedimentos convencionais, pois os testes são realizados sob condições de cargas

dinâmicas, como formas de aproximar às solicitações do tráfego, e esses

equipamentos permitem elevada produtividade com exatidão e precisão nos

resultados.

Dentre os equipamentos de maior destaque na realização de testes in situ nas

camadas de pavimento, cumpre mencionar o cone dinâmico de penetração (DCP)

para o controle da resistência mecânica dos solos, a viga de Benkelman e o Falling

Weight Deflectometer (FWD) na avaliação da deformabilidade e, mais recentemente

o Light Weight Deflectometer (LWD), cuja as particularidades técnicas e o caráter

pioneiro da aplicação no país constituíram as razões que motivaram o

desenvolvimento do presente estudo.

1.2 Objetivos

O trabalho proposto constitui uma contribuição para o aperfeiçoamento das técnicas

de controle tecnológico de obras rodoviárias com a determinação das propriedades

mecânicas e de deformabilidade das camadas de pavimento e terrapleno,


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4

especificamente os deslocamentos elásticos (recuperáveis), os módulos de resiliência

por retroanálise, e os coeficientes de recalque (K), a partir de ensaios dinâmicos de

campo com o uso do equipamento LWD. São apresentadas proposições demetodologias para aplicação sistemática do LWD na avaliação e diagnóstico das

propriedades mecânicas de sistemas de camada de pavimento, bem como, no

controle tecnológico de obras de pavimentação.

O escopo do trabalho é fundamentalmente de natureza experimental com a

apresentação de estudos de casos realizados pelo autor em obras viárias em

andamento, incorporando-se também resultados de pesquisas e estudos disponíveisna literatura internacional.

1.3 Estrutura do Trabalho

O presente estudo foi organizado em 5 capítulos que são descritos sucintamente a

seguir:

O Capítulo 1 introduz o tema da dissertação no contexto do desenvolvimento

tecnológico rodoviário, apresentando os motivos e a importância do mesmo no

cenário da pavimentação, bem como, as etapas do estudo.

O Capítulo 2 contém a revisão bibliográfica sobre os princípios da compactação, os

equipamentos e ensaios disponíveis, bem como as correlações realizadas entre os

mesmos. A revisão bibliográfica proporciona o embasamento teórico necessário para

o desenvolvimento da pesquisa.

O Capítulo 3 contém os trabalhos pioneiros no país com a aplicação do LWD,

desenvolvidos pelo autor, bem como as metodologias seguidas na realização dos

ensaios.

No Capítulo 4 são apresentadas as conclusões obtidas e as sugestões para as

próximas pesquisas a serem realizadas sobre este assunto.


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2-REVISÃO BIBLIOGRÁFICA


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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Compactação

As estruturas dos pavimentos têm a função de atender fundamentalmente requisitos

técnicos de natureza funcional e estrutural. Define-se como condição funcional de

um pavimento sua capacidade de permitir o movimento dos veículos entre dois

pontos sob condições de segurança e conforto aos usuários, com velocidade

compatível ao padrão da rodovia e custos operacionais baixos.

A condição estrutural do pavimento é função dos carregamentos impostos e da

capacidade de suporte das camadas constituintes e do subleito às ações do tráfego e

do meio. O bom desempenho estrutural refere-se, portanto, à capacidade do

pavimento em manter sua estrutura íntegra por determinado período de tempo, não

apresentando falhas significativas. Esta condição deve ser associada às atividades de

manutenção considerando-se, ainda, o momento mais adequado para a reabilitação

do pavimento.

Pesquisas realizadas na Califórnia, no final da década de 1920 e início da década de

1930, indicaram basicamente três tipos de rupturas em um pavimento (Porter, 1938):

• ruptura do subleito, então a maior ocorrência observada naquela época,

caracterizada por tensões de cisalhamento superiores à resistência do material dosubleito, ocasionando deslocamentos plásticos significativos;

• deficiência de compactação dos materiais, resultando também em deformações

permanentes significativas do pavimento impostas pelo tráfego;

• fadiga do revestimento ou da camada cimentada, fenômeno não tão relevante à

época da pesquisa californiana devido aos baixos volumes e cargas de tráfego,embora já se constituísse uma preocupação para o “futuro”.


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7

Com relação ao processo de compactação dos materiais durante as obras de

pavimentação, embora por si só não seja a garantia de um bom desempenho do pavimento, pois esse deve ser também adequadamente dimensionado e conservado, é

uma etapa fundamental para se evitar a ruptura do pavimento por cisalhamento, por

fadiga ou como resultante de deformação permanente ao longo do período de projeto

previsto.

Embora de longa data seja prática corrente a compactação de solos, só na década de

30 foram estabelecidos por R.R. Proctor e O. J. Porter os princípios que regem acompactação dos solos (Svedala Dynapac, 2000).

De acordo com o Manual de Pavimentação do extinto DNER, (DNER, 2006), a

compactação é definida como a operação da qual resulta o aumento da massa

específica aparente de solos e materiais de pavimentação, pela aplicação de pressão,

impacto ou vibração, o que faz com que as partículas constitutivas do material

entrem em contato mais íntimo, pela expulsão de ar; com a redução da percentagem

de vazios de ar, consegue-se também reduzir a tendência de variação dos teores de

umidade dos materiais integrantes do pavimento, durante a vida de serviço (DNIT,

2006).

O objetivo da compactação dos solos é aumentar a resistência ao cisalhamento,

diminuir sua deformabilidade, isto é, aumentar o módulo de elasticidade ou de

deformação, e garantir certas condições mínimas de estabilidade, o que significa a

maior permanência das condições obtidas imediatamente após a compactação. Deste

fato decorre a importância de se obter graus de compactação elevados próximos ou

iguais ao máximo de ensaio laboratorial nas camadas dos pavimentos.

No campo da construção, a estabilidade e capacidade de suporte das camadas de

solos, dos agregados e das misturas asfálticas, bem como a impermeabilidade dos

mesmos, estão diretamente associadas à consolidação adequada do material. Essa

condição é indispensável para a resistência do material, pois, caso contrário, aumenta


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a probabilidade de falhas prematuras nos pavimentos associadas às deformações

permanentes que se manifestam principalmente em trilhas de roda.

Há três tipos de resistência que estão associadas com o processo de consolidação ou

compactação de um solo: fricção, coesão e coesão aparente. Fricção ou atrito interno

é causado pela interação e travamento entre as partículas do solo e é o principal fator

constituinte na resistência de um material granular. Coesão é causada pela força

molecular entre as partículas e constitui o principal fator constituinte para a

resistência em solos finos. Coesão aparente é causada pelas forças capilares ou de

sucção da água no solo, ocorrendo em quase todos os tipos de solos (SvedalaDynapac, 2000).

2.1.1 Ensaios de Compactação em Laboratório

O solo seco oferece alta resistência ao processo de consolidação ou compactação; o

solo úmido, o qual possui maior lubrificação entre as partículas constituintes do

mesmo, pode ser mais facilmente consolidado, desde que a umidade não exceda

certos teores. Portanto, em uma determinada energia e método de compactação, os

solos adquirem peso específico aparente máximo quando compactados com

determinado teor de umidade, denominado “teor de umidade ótimo”.

Para identificar o estado do solo, empregam-se índices que correlacionam os pesos e

os volumes de acordo com os seguintes conceitos (Pinto, 2000):

• umidade – relação entre o peso da água que pode ser removida em estufa a

105ºC e o peso seco dos sólidos após remoção da água. (%)

• peso específico dos sólidos (ou dos grãos) – é uma característica dos grãos

sólidos. Relação entre o peso das partículas sólidas e o volume destes sólidos.

É expresso pelo símbolo γs (kn/m³).

• peso específico natural – relação entre o peso total úmido e o volume total

ocupado por sólidos, água e ar. É expresso pelo símbolo γn. A expressão

“peso específico natural” é, algumas vezes, substituída só por “peso


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específico” do solo. Tratando-se de compactação do solo, o peso específico

natural é denominado peso específico úmido. (kn/m³)

• peso específico aparente seco – relação entre o peso seco dos sólidos e ovolume total ocupado por grãos, água e ar antes da remoção de água.

Corresponde ao peso específico que o solo teria se viesse a ficar seco, se isto

pudesse ocorrer sem que houvesse variação de volume. Expresso pelo

símbolo γd.(kn/m³)

As massas específicas são relações entre quantidade de matéria (massa) e volume,

expressas geralmente em ton/m3

, kg/dm3

ou g/cm3

. Ressalta-se que as relações entre pesos e volumes são denominados pesos específicos, e expressos geralmente em

kn/m3. (Pinto, 2000).

A expressão “densidade” no Brasil refere-se à massa específica, e densidade relativa

é a relação entre a densidade do material e a densidade da água a 4°C (Pinto, 2000).

Neste texto optar-se-á por massa específica.

O teor de umidade ótima de um solo é determinado através de ensaios laboratoriais

intitulados ensaios de compactação, sendo o mais utilizado no Brasil o ensaio de

Proctor. O ensaio em questão é realizado com energias de compactação distintas,

denominadas Normal, Intermediária e Modificada, cuja utilização depende da

natureza do solo, da camada do pavimento e do tipo de aplicação em pavimentação

ou obra geotécnica. Estes ensaios são realizados em laboratório colocando-se o solo

dentro de um cilindro metálico e compacta-se este material por meio de um soquete

de menor diâmetro que o cilindro (figura 2.2) com peso e altura de queda controlada

e números de repetições de golpes especificados. A compactação é realizada em

número de camadas especificadas, dependendo da energia. A compactação é

distribuída na superfície da camada de forma aleatória pela queda e impacto do

soquete compactador. A tabela 2.1 mostra um resumo do procedimento de ensaios

em cada uma dessas energias.


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Tabela 2.1 – Resumo dos Ensaios de Compactação (Lambe e Whitman, 1970)

NºNº de

Camadas

Golpes por

Camada

Peso do

So uete

Altura de

uedaEnergia

1 5 55 4,54 kg 457 mm Modificada

2 5 26 4,54 kg 457 mm -

3 5 12 4,54 kg 457 mm Normal

4 3 25 2,50 kg 305 mm -

Dentre os ensaios mencionados, destaca-se o ensaio modificado de compactação ou

Ensaio de Proctor Modificado, que geralmente é tomado como referência para a

compactação das camadas mais importantes dos pavimentos, para as quais a

melhoria das propriedades do solo, sob o ponto de vista de seu comportamento nas

solicitações pelo tráfego, justifica o emprego de maior energia de compactação e,

consequentemente, o maior custo (Pinto, 2000).

Quando o solo se encontra com umidade abaixo da ótima, a aplicação de maior

energia de compactação provoca aumento do peso específico aparente seco, mas

quando a umidade é maior do que a ótima, maior esforço de compactação pouco ou

nada provoca de aumento de massa específica, pois não se consegue expelir o ar dosvazios. Esse comportamento também se observa no campo. A “insistência” da

passagem de equipamento compactador quando o solo se encontra muito úmido faz

com que ocorra o fenômeno que os engenheiros chamam de “borrachudo”: o solo se

comprime na passagem do equipamento para, logo a seguir, se dilatar, como se fosse

uma borracha. O que se comprime são as bolhas de ar ocluso (Pinto, 2000).

Maior energia de compactação conduz a maior massa específica seca e menorumidade ótima requerida, deslocando-se a curva para a esquerda e para o alto, como

mostra a figura 2.1. Nesta figura está indicado, também, para o mesmo solo, o

resultado do ensaio com as três energias de compactação, citadas anteriormente.


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11

Figura 2.1 – Curvas de Compactação de Solos com diferentes energias (Pinto, 2000)

Figura 2.2 – Compactador Proctor (Dynapac, 2000).

Além do método Proctor, outros métodos laboratoriais foram sendo introduzidos para

a determinação de parâmetros de compactação. No meio rodoviário, outro ensaio

importante é a compactação pelo método de Parsons (Parsons, 1992). A alteração

introduzida pelo método de Parsons é o uso de uma amostra de solo introduzida

dentro de um cilindro metálico padronizado em uma única camada, na umidade em

Soquete

Amostra do Solo

Cilindro


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12

que se deseja testar, e a compactação é procedida pela queda e impacto de um

soquete de igual diâmetro que o cilindro. Com a evolução do número de golpes na

superfície da camada única, mede-se a altura do corpo-de-prova e determina-seindiretamente por cálculo o peso específico aparente seco. Com a compactação de

alguns corpos-de-prova em umidades diferentes, traçam-se várias curvas de

compactação, representadas pelo peso específico aparente seco pela umidade de

moldagem, sendo que cada curva é a união dos pontos determinados para um dado

número de golpes do soquete, ou seja, para uma dada energia. Desta forma, com 4 a

5 corpos-de-prova, pode-se obter uma “família” de curvas de compactação e verificar

a alteração de comportamento com a energia de compactação, ou seja, a potencialidade de alteração de estado com a energia.

O método de Parsons foi utilizado no Brasil em dimensões reduzidas pelos

Professores Nogami e Villibor para a concepção da classificação de solos tropicais

pela Metodologia Compactada Tropical – MCT (Nogami e Villibor, 1995).

2.1.2 Compactação de Campo

Os equipamentos de compactação de campo para solos estão baseados em três

principais tipos de carga: estática, vibração e impacto. A seleção do processo de

compactação mais adequado depende do tipo de solo, teor de umidade, bem como da

rigidez da camada subjacente e do tempo para a realização da compactação.

O equipamento de compactação estático (figura 2.3) baseia-se na aplicação de

pressão na superfície e a conseqüente compressão do material originalmente solto. A

compactação estática tem um efeito de profundidade limitada, sendo eficiente em

camadas relativamente delgadas de alguns centímetros até no máximo duas dezenas

de centímetro. O resultado da compactação no campo está associado à velocidade e

número de passagens do equipamento.


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13

Figura 2.3 – Compactação Carga Estática (Svedala Dynapac, 2000).

Os compactadores vibratórios (figura 2.4) aplicam uma sucessão rápida de impactos

contra o solo gerando “ondas de pressão”, fazendo com que as partículas do solo se

movimentem pela redução ou eliminação da fricção interna, facilitando assim o

rearranjo das partículas em posições mais densas ou estáveis. A compactação

vibratória possibilita à obtenção de maiores “densidades” e efeito de profundidade

mais eficaz do que a estática em todos os tipos de materiais, podendo atingir a massa

específica aparente final com menores números de aplicações dos equipamentos de

compactação in situ.


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14

Figura 2.4 - Compactação Carga Vibratória (Svedala Dynapac, 2000).

A compactação por impacto (figura 2.5) consiste em aplicar uma força dinâmica no

solo, produzindo assim uma “onda de pressão” até certa profundidade. Baseia-se na

aplicação de golpes com determinadas alturas de quedas, constituindo-se em

processos adequados para materiais coesivos ou cimentados (Svedala Dynapac,2000).

Figura 2.5 – Compactação Carga Impacto (Svedala Dynapac, 2000).


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15

2.1.3 Controle de Compactação

Existem vários métodos para o controle “in situ” das características de compactação

das camadas do pavimento. Os métodos tradicionais procuram determinar os

parâmetros da compactação, ou seja, massa específica aparente e teor de umidade.

Esses métodos podem ser classificados em “métodos destrutíveis”, os quais se

baseiam na retirada de amostras diretamente do local compactado e os “métodos não

destrutíveis”, os quais utilizam procedimentos indiretos de verificação das

características de compactação das camadas dos pavimentos.

Com relação aos métodos destrutíveis, destaca-se o ensaio do “frasco de areia”

regido pela norma DNER-ME 092/94. O processo consiste em se abrir um orifício de

12 cm de diâmetro e cerca de 15 cm (figura 2.6) de profundidade na camada

compactada com o emprego de bandeja padronizada, talhadeira e martelo, coletando-

se o material retirado (DNER, 1994).

Em linhas gerais, um cilindro de ensaio denominado “frasco de areia” (figura 2.7),

preenchido de areia uniforme e padronizado, com massa específica conhecida, é

pesado e então posicionado sobre o furo. Abre-se o registro para liberar a passagem

de areia até que se cesse o movimento da mesma no interior do frasco. Fecha-se

novamente o registro e pesa-se o conjunto com a areia remanescente no frasco.

Segue-se então a determinação da massa específica aparente seca do material de

acordo com as seguintes equações (1, 2 e 3):

(eq. 1) (eq. 2) (eq. 3)

Onde:

Ph: massa do solo úmido (g);

Pa: massa da areia (g);

γh: massa específica aparente do solo úmido (g/cm³);

Pa

Ph

ah ×= γ γ 100×=

slGC s

γ

γ

whs

+×=

100

100γ γ


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γa: massa específica aparente da areia (g/cm³);

γs: massa específica aparente seca do solo (g/cm³);

w: teor de umidade do solo (%);GC: grau de compactação (%);

γsl: massa específica aparente seca máxima do solo obtida em laboratório (g/cm³).

Figura 2.6 – Abertura Orifício Figura 2.7 – Funil de Areia

A determinação da umidade para agregados miúdos e solos arenosos geralmente é

realizada com o emprego do “speedy”, de acordo com a norma DNER-ME 052/94,

cujo princípio de funcionamento é resumido a seguir (DNER, 1994):

• coloca-se uma amostra de material dentro do equipamento “speedy” (figura 2.8),

em conjunto com esferas metálicas e as ampolas de Carbureto de Cálcio;

• lacra-se o recipiente e promove-se agitação;

• as esferas metálicas quebram as ampolas, e o Carbureto de Cálcio reage com a água

gerando aumento da pressão que é registrada por um manômetro acoplado junto àtampa do frasco;

• em função do peso da amostra e da pressão obtém-se a umidade do material com o

emprego da tabela de calibragem do equipamento.

Este equipamento deve ser calibrado para fornecer resultados mais próximos do real

antes dos ensaios em campo.


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17

Figura 2.8 – Speedy

Outro método para o controle in situ da massa específica aparente e teor de umidade

é o método do densímetro nuclear. O método baseia-se na propriedade da água de

moderar a velocidade das emissões de nêutrons. Colocando um emissor de nêutrons

rápidos em uma sonda e usando um contador de nêutrons lentos, este registrará

valores proporcionais à umidade no espaço entre eles. A variação da umidade é

expressa em gráfico e a principal função do aparelho é avaliar a massa específica

aparente do solo (Svedala Dynapac, 2000).

Este equipamento deve ser a priori calibrado antes dos monitoramentos em campo.


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2.2 Propriedades Mecânicas dos Materiais

Além dos procedimentos e métodos de ensaios mencionados, vem constituindo prática corrente o emprego de técnicas que permitam a determinação da resiliência e

do comportamento resiliente dos solos e camadas do pavimento face à aplicação de

cargas. No caso da resiliência, pode-se determiná-la em ensaios laboratoriais ou em

ensaios não destrutivos de campo e aplicação de técnicas de retroanálise para

determinação do Módulo de Resiliência.

2.2.1 California Bearing Ratio - CBR

O ensaio Califórnia Bearing Ratio (CBR) ou Índice de Suporte Califórnia (ISC) é um

ensaio relativamente simples e aplicado como indicador da resistência dos solos e

materiais granulares ou de solos para subleito, sub-base e base na pavimentação de

rodovias, tendo sido desenvolvido pela Divisão de Estradas do Estado da Califórnia -

EUA. O valor do índice CBR tem aplicação na seleção de materiais para

pavimentação, bem como no controle tecnológico de terraplenos ou subleitos. Pode

ser realizado em todos os tipos de solos e baseia-se no conceito da relação entre o

valor da resistência à penetração no solo a ser ensaiado, em comparação com a

medida de referência obtida para um material pétreo padrão, classificado para

emprego em camadas de base.

Os procedimentos de ensaio no Brasil são regidos pela norma DNER ME 049/94 e

suas etapas gerais compreendem de forma sucinta: compacta-se a amostra de solo

num cilindro de 150 mm de diâmetro de 170 mm de altura, com distintos teores de

umidade, até atingir a massa específica aparente seca correspondente a uma

determinada energia de compactação, ou seja, energia correspondente ao Proctor

Normal, Intermediário ou Modificado. Após a compactação, o corpo de prova é

imerso em água durante 4 dias, a fim de promover a “saturação” do mesmo. Durante

o processo de imersão, a amostra é submetida a uma sobrecarga de 5 kg para simular

os efeitos do peso da estrutura de pavimento sobrejacente ao subleito e as

conseqüências desta pressão na medida da expansão do solo. Utiliza-se um


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extensômetro para medir a expansão axial da amostra ao “saturar-se”, sendo esta

expansão calculada em relação à altura inicial. Preparado o corpo de prova dá-se

inicio ao ensaio propriamente dito (DNER, 1994).

Penetra-se um pistão cilíndrico a uma velocidade constante de 1,27mm/min e mede-

se a pressão aplicada, bem como, a penetração. Define-se o Índice de Suporte

California (CBR) como sendo apresentado na equação 4:

(eq. 4)

A pressão aplicada corresponde a uma penetração do pistão de 2,5 mm ou de 5,0

mm. A pressão padrão é 70 kgf/cm² (7 MPa) para 2,5 mm (0,1 pol) de penetração do

pistão, ou 105 kgf/cm² (10,5 MPa) para 5,0 mm (0,2 pol) de penetração. O valor do

índice CBR é o maior dentre os obtidos pelas duas relações.

2.2.2 Módulo de Resiliência dos Solos

Convencionou-se chamar na Mecânica dos Pavimentos, de deformação resiliente, a

deformação elástica ou recuperável de solos e de estruturas de pavimentos sob a ação

de cargas transientes. Foi Francis Hveem (1955), que adotou o termo “resiliência”,

para que se entendesse que os deslocamentos nos pavimentos, sob a ação de cargas

móveis, são muito maiores do que os que ocorrem em sólidos elásticos como o vidro,

o aço, etc. “Resiliência” é definida como a propriedade pela qual a energia

armazenada em um corpo deformado é devolvida quando cessa a tensão causadora

da deformação elástica (Pinto e Preussler, 2002).

O termo deformação resiliente passou a significar a deformação recuperável dos

pavimentos quando submetidos a carregamentos repetidos, de forma a distingui-la

daquelas que ocorrem em outras estruturas onde as cargas não são repetidas tão

aleatoriamente quanto à freqüência, duração e intensidade como a do tráfego de

veículos. Foi convencionado no Brasil designar de “Método da Resiliência” a análise

oessãoPadrã

adaessãoAplicCBR

Pr

Pr 100×=


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20

de deformações, de deslocamentos e de tensões de sistemas de camadas elásticas

lineares e não-lineares (Pinto e Preussler, 2002).

A determinação do módulo de resiliência de solos é feita em laboratório, através do

ensaio triaxial de carga repetida de curta duração. Conceitualmente, não existem

solos resilientes e solos não resilientes, uma vez que todos eles apresentam

deformação resiliente quando solicitados por um carregamento, mas sim solos com

maior ou menor grau de resiliência.

O estado de tensões em um meio elástico varia com a posição da carga móvel.Quando o carregamento vertical se situa acima do elemento de solo ou de camada do

pavimento, na mesma vertical, tem-se o estado de tensões normais principais,

vertical (σ1), horizontal (σ3) e a tensão desvio (σd ) variável, mostrada na equação 5.

σd = σ1 – σ3 (eq. 5)

• Ensaio Triaxial de Cargas Repetidas

O ensaio de laboratório é feito rotineiramente com tensão vertical variável e

confinante constante. Foi introduzido nos estudos da mecânica dos pavimentos na

década de 50, na Universidade de Berkeley, Califórnia, quando foi pesquisada a

condição de deformabilidade do solo de fundação dos pavimentos construídos na

pista da AASHTO, em Illinois, EUA (Pinto e Preussler, 2002).

O módulo de resiliência é definido no ensaio triaxial de cargas repetidas, pela

equação 6 e a deformação axial resiliente pela equação 7.

R

d

R M ε

σ = (eq. 6)

0 H

h

R

Δ=ε (eq. 7)

Onde:

MR = módulo de resiliência (MPa);


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21

σd = tensão desvio aplicada repetidamente (MPa);

εR = deformação axial resiliente, correspondente a um número particular de

repetição da tensão desvio (mm/mm);∆h = deslocamento vertical recuperável ou resiliente (mm);

H0 = comprimento ou altura inicial de referência da amostra de solo

cilíndrica ensaiada (mm).

As deformações resilientes são elásticas no sentido de serem recuperáveis. O

equipamento de ensaio triaxial é constituído de uma célula ou câmara triaxial,

sistema de controle e registro dos deslocamentos, um sistema pneumático ouhidráulico e um sistema de registro do carregamento.

Nos equipamentos pneumáticos, a força vertical axial é aplicada alternada e

rapidamente no topo da amostra por um pistão, para que o ar comprimido ao passar

por um regulador de pressão, atue diretamente sobre uma válvula ligada a um

cilindro de pressão. Ao abrir a válvula, transmite-se a pressão do ar para o corpo-de-

prova envolto em uma membrana de borracha; ao fechar, a pressão do ar deixa de

atuar. O tempo de abertura da válvula e a freqüência desta operação são controlados

por um dispositivo mecânico digital. Os deslocamentos resilientes são medidos por

um par de transdutores mecano-eletromagnéticos conhecidos por LVDT’s (linear

variable differential transducers) acoplados ao corpo-de-prova (figura 2.9) (Pinto e

Preussler, 2002).

No Brasil, os ensaios têm sido freqüentemente realizados nas seguintes condições

(DNER, 1994):

• Repetição do carregamento = 200;

• Freqüência: 20 a 60 solicitações por minuto de carga;

• Duração: 0,10 segundos;

• Intervalo entre cargas: 2,9 a 0,90 segundos.


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Costuma-se fazer o ensaio à tensão confinante (σ3) constante, medindo-se o

deslocamento vertical.

Figura 2.9 - Desenho esquemático do equipamento de ensaios triaxias de carga

repetida (Pinto e Preussler, 2002).

2.2.3 Ensaios de Campo

2.2.3.1 Cone de Penetração Dinâmico ou Dynamic Cone Penetrometer - DCP

O “Dynamic Cone Penetrometer” ou Cone Dinâmico de Penetração (DCP) foi

desenvolvido inicialmente na África do Sul para avaliação de pavimento "in situ"

(Kleyn, 1975). Desde então, foi usado no Reino Unido, Austrália, Nova Zelândia, e

vários estados dos Estados Unidos, como Califórnia, Flórida, Illinois, Minnesota,Kansas, Mississipi e Texas para caracterização estrutural de camadas de pavimento e

subleitos (Trichês e Cardoso, 1999; Nazaal, 2003; Trichês e Dal pai, 2006).

O equipamento foi projetado para uma rápida medição in-situ das propriedades

estruturais de pavimentos construídos com materiais heterogêneos a partir da relação

de golpes necessários para a penetração de um cone de dimensões especificadas na

camada em estudo.


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O DCP é portátil e constitui-se de um peso de 8 kg que é conduzido por uma haste

guia para cair em queda livre de uma altura de 575 mm sobre uma haste metálica, na

extremidade da qual um cone padrão com ângulo de ápice de 60° ou 30° e diâmetroda base do cone de 20mm é cravado no terreno (figura 2.10). É um instrumento

simples, de baixo custo, requer pouca manutenção, fácil mobilização e possibilita

uma medição contínua, in situ, da resistência das camadas do pavimento, bem como

do subleito, sem a necessidade de coletar material existente como o ensaio de CBR

(Nazaal, 2003).

Figura 2.10 - Equipamento - Cone Dinâmico

A relação do DCP com a resistência do solo (CBR) é definida pela declividade da

curva que associa o número de golpes na abscissa pela profundidade de penetração

(em mm/golpe) nas ordenadas, considerando um determinado segmento linear. Na

figura 2.11 pode-se ver um exemplo de resultado de cone de penetração DCP.


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Gráfico da Camada de Base

Número de Golpes X Profundidade

Rodovia GO-070

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 10 20 30 40 50 60

Número de Golpes

P r o f u n d i d a d e m m

Figura 2.11 – Gráfico de Exemplo - mm/golpe x Profundidade (Dynatest, 2004).

Os ensaios realizados com a utilização do DCP objetivam verificar a espessura, o

grau e a uniformidade da compactação das camadas do pavimento, sendo uma boa

ferramenta para controle de qualidade durante a construção do pavimento. Livneh et

al. (1989) demonstraram que os resultados de testes de penetração obtiveram boacorrelação com valores de CBR in-situ. Além disso, mostraram que as espessuras das

camadas obtidas a partir do ensaio com o DCP são as mesmas obtidas nas sondagens

realizadas, e concluíram que os testes com o DCP são uma alternativa segura para

avaliação de pavimento (Nazaal, 2003).

Os critérios atuais para aceitação e controle da execução das camadas do pavimento

estão principalmente baseados no alcance da massa específica aparente adequada (ouconsolidação adequada) obtidas em laboratório com os devidos testes, denominados

Proctor.

Os valores de sua resistência são normalmente usados como uma contribuição para o

dimensionamento da estrutura do pavimento.


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25

2.2.3.2 Deflectometria

Os procedimentos para o controle de qualidade durante a construção deveriam estar baseados também em critérios que se correlacionam aos parâmetros usados no

dimensionamento, para assegurar que os níveis de comportamento exigido foram

alcançados. O desempenho de um material depende de sua rigidez e, portanto, é

interessante controlar-se em campo o comportamento quanto à deformabilidade, ou

seja, controlar os deslocamentos elásticos frente à ação de cargas.

Processos alternativos para o controle tecnológico introduzindo ensaios que possibilitem a determinação de módulo de resiliência vêm se justificando pelo fato

dos projetos de estruturas de pavimento incorporar, nesses últimos anos, análises

mecanísticas para o cálculo de tensões e deformações, como aperfeiçoamento das

tradicionais metodologias e procedimentos de natureza empírica.

A partir dessas análises, definem-se valores admissíveis de deslocamentos

recuperáveis ou deflexões para as distintas camadas do pavimento projetado,

constituindo-se referências para o controle tecnológico das características de

resiliência ou de deformabilidade elástica dos solos e materiais de pavimentação

durante o processo executivo.

Emprega-se usualmente a Viga Benkelman e o FWD (Falling Weight Deflectometer)

para a verificação in situ do atendimento às premissas do dimensionamento dos

pavimentos, com relação às características resilientes das camadas constituintes.

Embora o equipamento FWD seja uma evolução tecnológica significativa com

relação à pioneira Viga Benkelman na avaliação da deformabilidade de estruturas de

pavimento, a sua utilização no controle tecnológico de obras apresenta limitações em

face do elevado custo de aquisição desses equipamentos e da sua manutenção em

serviços dessa natureza. Além disso, tais equipamentos também se mostram em

algumas situações de difícil operação nas obras devido às dimensões dos mesmos.


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Face ao exposto, vem sendo promissora a utilização da mais recente novidade em

termos de equipamento, denominada LWD (Light Weight Deflectometer), para o

controle tecnológico das características elásticas de camadas de pavimento, principalmente de solos e materiais granulares, incorporando a evolução tecnológica

do FWD com a praticidade de utilização e baixo custo.

Falling Weight Deflectometer - FWD

Dentre os ensaios não-destrutivos (NDT) destacam-se os deflectométricos, que

consistem em medições dos deslocamentos verticais recuperáveis na superfície do pavimento quando submetido à aplicação de cargas transientes, auxiliando, quando

adequadamente interpretados, na avaliação da capacidade das camadas do pavimento

em resistir os esforços decorrentes das cargas de tráfego (SCULLION, 1999).

Os deflectômetros de impacto do tipo Falling Weight Deflectometer (FWD),

incorporados ao meio rodoviário nacional no final da década de 80, tem utilização

crescente no mundo. Representam uma nova fase de ensaios não destrutivos para

avaliação estrutural de pavimentos asfálticos e de concreto, de pistas de aeroportos,

pátios, rodovias e pavimentos urbanos, bem como, na utilização em controle de

qualidade e de compactação durante a execução dos pavimentos, pois constitui uma

significativa evolução tecnológica dos procedimentos de prova de carga estáticos

(viga Benkelman) (MACEDO, 1996).

No Brasil conta-se com este equipamento desde 1988, sendo que atualmente existem

no país oito equipamentos tipo FWD; sendo seis de fabricação Dynatest, versão

norte-americana, e dois do tipo KUAB, versão sueca.

O equipamento é um deflectômetro de impacto projetado para simular o efeito de

cargas de roda em movimento. Isto é obtido pela queda de um conjunto de massas, a

partir de alturas pré-fixadas, sobre um sistema de amortecedores de borracha, que

transmitem a força aplicada a uma placa circular apoiada no pavimento, conforme

figura 2.12 (Dynatest, 1995).


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A carga do impulso pode ser variada pela modificação da altura de queda ou da

configuração de massas utilizada. Na placa circular existe uma célula de carga quemede a carga do impacto proveniente da queda do conjunto de massas. O aparelho é

montado sob um trailer que é puxado durante a realização dos ensaios por um

automóvel com capacidade média de carga.

Os deslocamentos recuperáveis gerados na superfície do pavimento (bacia de

deflexões) são medidos por 7 geofones (transdutores de velocidade) instalados na

placa de carga e ao longo de uma barra metálica (Dynatest, 1995).

Figura 2.12 - Falling Weight Deflectometer (Dynatest, 1995).

As distâncias dos geofones ao centro da placa de carga são fixadas visando

maximizar a acurácia em função da estrutura do pavimento ensaiado, procurando-se

posicioná-los de forma que os deslocamentos neles registrados reflitam a

contribuição das diversas camadas na deformabilidade total do pavimento e defina

completamente a geometria da bacia de deslocamentos. Costuma-se empregar os

seguintes espaçamentos para os geofones: 0, 200, 300, 450, 650, 900 e 1200 mm.

(Dynatest, 1995).


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Tem-se então que o primeiro geofone mede o deslocamento vertical sob a ação da

carga (Df 1), o segundo geofone mede o deslocamento vertical do pavimento a 200

mm do ponto de aplicação da carga (Df 2) e assim sucessivamente.

Costuma-se utilizar a força de 41 kn (4,1 tf), equivalente ao semi-eixo padrão

rodoviário, aplicado em numa área circular com 300 mm de diâmetro.

O procedimento de ensaio é realizado na seguinte seqüência:

i. Move-se o trailer para o local do ensaio, e posiciona-se o FWD na estação

desejada;ii. Liga-se o microcomputador e o processador que ficam na cabine do veículo

rebocador;

iii. Seleciona-se a configuração de massas a ser utilizada na campanha de

ensaios, fixando-a nos locais apropriados;

iv. Aciona-se no microcomputador o programa de campo, que permite definir o

tipo de ensaio desejado e realizar todas as operações, incluindo abaixamento

da placa de carga e da barra de geofones, elevação dos pesos para altura de

queda pré-determinada, liberação dos pesos para a queda e, finalmente, a

elevação da placa conjuntamente com a barra de sensores para o

deslocamento do equipamento em direção ao próximo ponto de medida. A

operação completa pode ser controlada por uma pessoa no veículo rebocador

e uma seqüência de ensaio dura 45 segundos em média;

v. A cada golpe programado e aplicado vão sendo exibidos em tela, na linha

relativa à altura de queda, o pico de pressão na placa, a força correspondente

e os picos de deflexão registrados em cada geofone. Concluída a seqüência de

golpes, a placa e os sensores são suspensos hidraulicamente e o sistema emite

um sinal sonoro ("beep") indicando que o trailer pode ser deslocado para a

próxima estação de ensaio.

Dentre as grandes vantagens desses equipamentos, destaca-se a possibilidade de

variar a carga aplicada e analisar o grau de linearidade da estrutura no

comportamento tensão-deformação; maior acurácia e repetibilidade na medida das


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cargas e deflexões, em qualquer tipo de estrutura de pavimento; medição e registro

automático das temperaturas do ar e da superfície do pavimento e da distância

percorrida entre os pontos de ensaios; redução da necessidade de coletas de amostras para ensaios em laboratório (SCULLION, 1999).

Apesar de o FWD ser bastante utilizado em levantamentos de dados para a

concepção de projetos de restauração, seus resultados podem ser aplicados em

estudos como: controle de qualidade, implantação de sistema de gerência de

pavimentos, caracterização e diagnóstico do comportamento resiliente de

pavimentos.

Em se tratando da aplicação em controle de qualidade de obras, o objetivo é avaliar

as condições estruturais de uma determinada obra de pavimentação e comparar os

resultados obtidos com os valores especificados em projeto para cada camada do

pavimento.

Com relação ao desenvolvimento de estudos para diagnóstico do comportamento

estrutural do pavimento, seja esse de concreto de cimento Portland ou asfáltico,

destaca-se a aplicação do processo de retroanálise das bacias de deflexões no cálculo

dos parâmetros elásticos in situ das camadas que constituem o pavimento.

No caso específico dos pavimentos de concreto de cimento, a contribuição do FWD

está na determinação dos coeficientes de reação do subleito (K), módulo de

resiliência do subleito (MR ), do reforço do subleito e de sub-bases, módulos de

elasticidade das placas de concreto e grau de transferência das cargas nas juntas.

Light Weight Deflectometer – LWD

O equipamento Light Weight Deflectometer – LWD foi desenvolvido na Alemanha e

constitui um sistema de ensaio dinâmico em placa de carga empregado para medir a

deformabilidade das camadas do subleito e da infra-estrutura do pavimento. O

equipamento não necessita de nenhuma medida de referência e fornece alternativa


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simples em comparação com os demais testes até então utilizados, em especial o

FWD (Nazaal, 2003).

Existem diferentes tipos de equipamentos portáteis para ensaios dinâmicos in situ no

mercado mundial, podendo citar como exemplo o Loadman (Finlândia), German

Dynamic Plate (GDP), Transport Research Laboratory Foundation Tester (TFT) e o

LWD do estudo em questão (Nazaal, 2003).

Fleming (2000) realizou avaliações laboratoriais e de campo para os equipamentos

citados anteriormente, destacando a qualidade do LWD pela presença de célula decarga para medir a força do impacto, coleta as informações através de software

específico, possue geofones adicionais, características estas não existentes nos

demais equipamentos (Seyman, 2003).

O LWD é utilizado especificamente para controle de qualidade das camadas do

pavimento (subleito, sub-base e base), em pavimentos novos ou em obras já

existentes.

Com relação ao equipamento propriamente dito, uma célula de carga de alta precisão

mede o valor máximo da força de impacto da queda de um peso de 10 kg montado

em uma placa de carga com diâmetro de 300 mm (figura 2.13). O valor máximo da

força de impacto é baseado em medidas da célula de carga e os deslocamentos

(deflexões) são medidos em até três sensores, que podem ser posicionados a

diferentes distâncias em relação ao centro da placa.

O procedimento do teste consiste em posicionar o equipamento no ponto de

realização do ensaio e aplicar uma carga dinâmica de aproximadamente uma

tonelada sobre a superfície do pavimento num período de tempo de 30 µseg e, no

mesmo instante, efetuar leituras dos deslocamentos na superfície das camadas e obter

o módulo de elasticidade correspondente por correlações.


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31

Figura 2.13 – Ensaio com LWD

Em qualquer configuração do teste, a deflexão no centro da placa de carga (Df) é

obtida para calcular o módulo de elasticidade ou de resiliência (ELWD) da camada de

estudo.

A expressão utilizada para o cálculo do módulo de elasticidade (ELWD) da camada é

aquela desenvolvida por Boussinesq com base na Teoria da Elasticidade (Steinert,

2006), conforme é mostrado na equação 8.

ELWD = F (1- ν2 ) σ × RDf (eq. 8)

Onde:

F = Fator que depende da distribuição das tensões, onde F=2 para distruibuição

uniforme, F=π/2 para placa rígida, distribuição parabólica (solo granular) F=8/3 e

distribuição parabólica (solo coesivo) F=4/3 ;

ν = Coeficiente de Poisson;

σ = Tensão aplicada (kPa);R = Raio do prato de carga (mm);


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32

Df = Deflexão (µm);

E = Módulo de Elasticidade (MPa)

Os demais geofones permitem avaliar as condições das camadas nas proximidades do

ponto de ensaio, grau de homogeneidade em vários sentidos ou direções, bem como

fornecer uma bacia de deflexões simplificada.

Apresenta-se a seguir o detalhamento das partes constituintes do equipamento e as

especificações particulares (figuras 2.14) (Dynatest, 2006):

Célula de carga que mede o valor máximo da força de impacto da queda de

um peso com 10, 15 ou 20 kg, incorporada em uma placa de carga com

diâmetro de 100, 200 (opcional) ou 300mm. O valor máximo da força de

impacto é baseado em medidas reais da célula de carga.

Os deslocamentos (deflexões) são medidos pelos sensores em tempo real e

apresentados graficamente na Palm Top conectado ou transmitido por onda

tipo Bluetooth.

O módulo de elasticidade ‘E’ é calculado e visualizado em tempo real.

O software de coleta de dados exibe na tela da Palm Top o Módulo de

Elasticidade da superfície e um gráfico de histórico em tempo real.


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33

(a) (b)

Figura 2.14 – Visão geral do equipamento e registro no Palm Top (a) e Detalhe do

transmissor de sinal (b) (Dynatest, 2006)

2.3 Retroanálise de Módulos de Resiliência

2.3.1 Princípios da Retroanálise

O objetivo da retroanálise é a caracterização do comportamento de cada uma das

camadas constituintes do pavimento in situ, através de seus módulos de resiliência.

A retroanálise das bacias de deflexões consiste num sistema iterativo onde, tendo-se

os dados do pavimento referentes às deflexões medidas em campo, espessuras das

camadas e respectivos coeficientes de Poisson admitidos, faz-se o cálculo através da

Teoria da Elasticidade de um sistema de módulos de resiliência e elasticidade para as

diversas camadas constituintes de uma estrutura de pavimento. Para obtenção dos

módulos de cada uma das camadas, procede-se à comparação entre a bacia dedeflexões teórica (calculada) com aquela real obtida em campo.

Um exemplo de comparação entre uma bacia de deflexão medida e uma calculada é

ilustrado na figura 2.15.


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RMS =( ) 2

12

1

1001

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −×× ∑

=

n

i m

mc

d

d d

n(eq. 9)

Onde:

dc – deflexão ou deslocamento calculado (x 0,01mm);

dm – deflexão ou deslocamento medido em campo (x 0,01mm).

2.3.2 Correlações Existentes do Módulo de Resiliência e do CBR

A equação 10 apresentada na seqüência foi desenvolvida por Medina, Pinto &

Preussler, destacando-se que o índice de suporte califórnia (CBR) é obtido em

condições padronizadas de ensaio, diferentemente do módulo resiliente para cuja

determinação aplicam-se pressões confinantes e de desvio que se escolhem de

antemão e que são bem menores em magnitude.

Mr = 326 + 67 (CBR) (Kgf/cm²) (eq. 10)

Onde:

Mr ,=Módulo de resiliência do solo argiloso compactado na umidade ótima e

determinado à tensão-desvio de 0,2 MPa (2 kgf/cm2);

CBR=Indice de Suporte Califórnia de amostras embebidas na água durante 4

dias (%).

O guia da AASHTO (1993) para dimensionamentos de pavimentos adotou a equação

11 proposta por Heukelom e Klomp (1962) (Nazaal, 2003):

MR (psi) = 1500 * CBR ou MR (MPa) = 10,34 * CBR (eq. 11)

Powell et al. (1984) sugeriu outra correlação entre o módulo de resiliência do

subleito (Es) e CBR (Nazaal, 2003), mostrada pela equação 12:

MR (psi) = 2550 × CBR 0,64 ou MR (MPa) = 17,58 × CBR 0,64 (eq. 12)


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36

2.3.3 Correlações Existentes entre DCP e CBR

Foram realizadas diferentes correlações entre os valores obtidos pelo DCP (PR=

mm/golpe) e valores de CBR dependendo dos tipos de materiais testados. Kelyn

(1975) realizou ensaios com o DCP em 2000 amostras de materiais seguidas

diretamente da determinação de CBR. Baseado nos resultados estabeleceu a seguinte

correlação (Nazaal, 2003):

Log CBR = 2,62-1,27 log PR (eq. 13)Onde,

PR = profundidade penetrada em uma determinada camada pelo mínimo de golpes

necessários para promover esta penetração (mm/golpe)

Smith e Pratt (1983), baseados em estudos de campo em subleitos, recomendaram a

seguinte correlação (Nazaal, 2003):

Log CBR = 2,56-1,15 log PR (eq. 14)

Livneh e Ishia (1987) também realizaram um estudo entre os valores de DCP e

valores de CBR, empregando em materiais granulares finos. Baseados nos resultados

recomendaram a seguinte correlação (Nazaal, 2003):

Log CBR = 2,2-0,71 (log PR) (eq. 15)

Harison (1989) obteve a seguinte correlação para diferentes tipos de solos (Nazaal,

2003):

Log CBR = 2,56-1,16 log PR (eq. 16)

Para solos argilosos, com PR> 10 (mm/golpe)

Log CBR = 2,70-1,12 log PR (eq. 17)


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Para solos granulares, com PR


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2.3.5 Correlações Existentes entre o Módulo de Resiliência obtido pelo LWD e

outros ensaios

Fleming et al. (1988) em estudo com diversos materiais obteve uma correlação entre

o módulo de elasticidade obtido pelo equipamento GDP (German Dynamic Plate) e o

módulo de elasticidade do equipamento FWD de 0,5, ou seja, MFWD = 0,5 MGDP.

Fleming (1998, 2001) realizou posteriormente um extenso trabalho com medidas in

situ em diversas seções testes onde pode ser observada uma correlação constante de

0,6 entre os mesmos (Nazaal, 2003).

Livneh and Goldberg (2001) apresentam uma correlação onde se pode obter o

Módulo Resiliênte do FWD por meio da determinação do Módulo Resiliênte pelo

GDP. O módulo obtido através do GDP está entre 0,3 a 0,4 vezes o módulo de

elasticidade do equipamento FWD, ou seja, MGDP = K x MFWD onde K = 0,3 a 0,4

(Nazaal, 2003).

Fleming et al. (2000) conduziu testes para correlacionar os valores dos módulos de

elasticidade obtidos através dos diferentes tipos de equipamentos portátil (LWD,

GDP e TFT) com o equipamento FWD. Os resultados obtidos mostraram uma boa

correlação entre o módulo do LWD (ELWD) e o módulo do FWD (MFWD) (Nazaal,

2003).

MFWD= 1,031 x ELWD (eq. 23)

Para os outros equipamentos as correlações obtidas foram:

MFWD= 1,05 a 2,22 x EGDP (eq. 24)

MFWD= 0,76 a 1,32 x ETFT (eq. 25)


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2.4 Considerações Gerais

Foram apresentadas nesse capítulo conceitos e formas de determinação das propriedades de interesse envolvidos neste trabalho e, ainda, as principais

correlações entre as propriedades mecânicas e de deformabilidade dos solos. A

literatura internacional apresenta muitas correlações, mas que alteram os valores

obtidos de forma pouco expressiva.

Com relação à sensibilidade das equações, verifica-se na literatura consultada que as

constantes estatísticas das correlações mostram desvios padrão muito elevados emrelação à média, afetando de forma significativa a confiabilidade ou a

representatividade das variáveis correlacionadas.

Os ensaios de laboratório, bem como os testes de campo, são executados sob

distintas condições de solicitação, o que dificulta o estabelecimento de relações que

possam ser aplicadas de forma genérica. Além disso, alguns ensaios são executados

sob condições padronizadas de tensões e deformações, outros se realizam com uma

grande diversidade de condições em termos de tensões e deformações. A forma do

carregamento, estática ou dinâmica, também constitui uma característica que pode

afetar o nível de confiabilidade das relações apresentadas na literatura.

Portanto, são necessários cuidados especiais quando da utilização de correlações

dessa natureza na avaliação e diagnóstico de solos e camadas de pavimento,

devendo-se incorporar a experiência na interpretação da representatividade dos

valores absolutos assim obtidos.


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3-ESTUDOS DE CASOS


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3 ESTUDOS DE CASOS

Apresentam-se neste capítulo os trabalhos pioneiros no País com a aplicação do

LWD, cujos resultados foram tratados em função dos objetivos específicos de cada

caso em questão.

Os primeiros estudos de casos estudados foram feitos para projeto e o da BR-101/NE

foi especialmente concebido para esta pesquisa tendo em vista os resultados dos

trabalhos anteriores e o tipo de análise requerida.

3.1 Complexo Industrial de Celulose

O estudo mostrado na seqüência teve por objetivo a avaliação estrutural da camada

final do pátio de estocagem de madeira localizado dentro do complexo industrial de

celulose VERACEL, no município de Eunápolis, no sul da Bahia, com vistas ao

aproveitamento das condições locais para a execução de revestimentos

confeccionados com placas de concreto de cimento Portland. A análise em questãonão seria possível através das metodologias e processos tradicionais tendo em vista

as dimensões da área para ser estudada.

Foram realizadas as seguintes atividades:

Ensaios Dinâmicos com utilização do LWD – Light Weight Deflectometer ,

empregando carga dinâmica de 1 (uma) tonelada. Tratamentos dos dados para apresentação dos resultados em termos do valor

“K”,ou seja, Módulo de Reação do Sistema (Ksist).

Os ensaios foram realizados nas vias de acesso ao material estocado e nas laterais

livres do pátio, conforme o croqui mostrado na figura 3.1 com o posicionamento das

pilhas de madeiras estocadas e das vias de acesso onde foi realizado o levantamento,

bem como a localização das estações de ensaio.


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Meio-fio

Pátio de madeiras

Rua-asfalto

Pilha

LEGENDA

Estações de ensaios

Estações de ensaios complementares

Figura 3.1 – Croqui da área de teste com LWD


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A figura 3.2 mostra uma vista geral do pátio durante os ensaios com o LWD

Figura 3.2 – LWD Complexo Industrial

Os resultados foram empregados para cálculo do coeficiente de recalque do sistema

Ksist por correlações entre Ksist e CBR, e ainda CBR e Módulo de Resiliência. O

Módulo de Resiliência foi por sua vez calculado por correlação com a deflexão do

LWD. Como para esta pesquisa é importante entender a variação de valores de

deflexão do LWD, os resultados serão avaliados sob este aspecto.

Na tabela 3.1, mostra o valor médio das deflexões obtidas em todo o pátio de

estocagem do complexo industrial.

Tabela 3.1 – Síntese dos Resultados com LWD - Complexo Industrial

Nº de

Estações

Df1 Média

(x 0,01mm)

Desvio Padrão

(x 0,01mm)

Coeficiente de

Variação (%)

260 35,6 25,5 72%

Os resultados apresentados mostram a heterogeneidade da camada de solo quecompreende a área do estudo, permitindo a tomada de decisão com relação ao


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aproveitamento da camada final do terrapleno para a execução das placas de concreto

sobrejacentes, seleção das áreas para tratamento específico e o dimensionamento das

placas propriamente dito.


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3.2 Indústria de Tubos Soldados

Apresenta-se a seguir os resultados dos ensaios dinâmicos visando a avaliaçãoestrutural do subleito das instalações da TSA – Tubos soldados Atlântico, no km 274

da BR-101/ES na cidade de Vitória/ES.

O presente estudo compreendeu as seguintes atividades:

Ensaios Dinâmicos com utilização do LWD – Light Weight Deflectometer ,

empregando carga dinâmica de aproximadamente 1000 kg (1 t). Tratamentos dos dados para apresentação dos resultados em termos do valor

do CBR in situ.

Os levantamentos foram realizados com espaçamentos entre os ensaios em malha de

10m x 20m, conforme figura 3.3 do posicionamento mostrado na seqüência.

GALPÃO DE FABRICAÇÃO

ESTACIONAMENTO

ABRIGO DE CAMINHÕES

GALPÃO DE SERVIÇOS

718.88

360,80

3 1 , 5 5

3 8 , 6 1

168,04

106,25 274,38

PISTA

Figura 3.3 – Croqui da área de teste com LWD - TSA

A partir dos dados obtidos nos levantamentos de campo com o LWD, procedeu-se o

cálculo dos parâmetros indicativos das condições existentes do terrapleno para fins

de aproveitamento dos materiais locais e dimensionamento dos pavimentos

sobrejacentes. Como para esta pesquisa é importante entender a variação de valores

de deflexão do LWD, os resultados serão avaliados sob este aspecto.


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Na tabela 3.2, mostra o valor médio das deflexões obtidas para cada região da

indústria em estudo.

Tabela 3.2 – Síntese dos Resultados com LWD – TSA

Local Nº de

EstaçõesDf1 Média

(x 0,01mm)Desvio Padrão(x 0,01mm)

Coeficiente de Variação (%)

Pista 87 18,7 8,6 46%

Abrigo de Caminhões 13 22,4 8,2 36%

Estacionamento 9 16,8 4,1 24%

Galpão de Fabricação (eixos 1 a 13) 28 16,8 6,2 37%

Galpão de Fabricação (eixos 14 a 32) 60 20,0 11,5 58%

Galpão de Serviço 10 17,1 4,9 28%

Com os resultados apresentados, obtiveram-se as condições de variabilidade dos

parâmetros de deformabilidade dos solos para as regiões em estudo.


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3.3 Concessionária de Rodovias Autoban: Rodovia SP-330(Anhanguera),

Trevo no km 62.

Os estudos apresentados neste item foram realizados durante as obras de

pavimentação do trevo da Rodovia SP-330, no km 62, com o objetivo de monitorar

as condições estruturais das camadas da infra-estrutura do pavimento e subsidiar a

tomada de decisão com relação à espessura necessária da camada final de

revestimento em Concreto Asfáltico. Nesta pesquisa, os dados serão empregados

para compreender melhor a relação entre deflexões do LWD e FWD, bem como sua

variabilidade.

Os testes dinâmicos com o LWD foram realizados na camada de base em BGS (brita

graduada simples), nas camadas de sub-base dos tipos BGTC (brita graduada tratada

com cimento) e rachão e em material selecionado do subleito.

Tabela 3.3 – Estrutura de Pavimento – Trevo Anhanguera

RamoLocal Base Sub-base Reforço Subleito

200 A BGS 15cm - Solo Solo

200 B BGS 15cm BGTC 18cm Solo

800 - - - Solo

1000 A - - Rachão 25cm Solo

1000 B - BGTC 18cm - Solo

Material (Tipo e Espessura)

A localização esquemática do trevo em questão encontra-se na figura 3.4.


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Figura 3.4 – Croqui da área de teste com LWD e FWD – Trevo Anhanguera

As figuras 3.5 e 3.6 mostram a realização dos ensaios com o LWD e FWD no Ramo

200.

Figura 3.5 – FWD Ramo 200 Figura 3.6 – LWD Ramo 200

Os resultados obtidos foram analisados com base na metodologia a seguir:

Etapa 1: Retroanálise

Os levantamentos de campo com o FWD forneceram as linhas de influência ou as

bacias de deflexões nas estações de ensaios selecionadas, para cargas de 41 kn (4,1

tf). A partir desses dados e com a utilização do programa ELMOD, procedeu-se a


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retroanálise das linhas de influência para a determinação dos módulos de elasticidade

das camadas da infra-estrutura, ou seja: E (BGS); E (BGTC); E (Rachão); E

(Subleito).

Etapa 2: Equivalência Modular

Os módulos das camadas obtidos por retroanálise foram utilizados para o cálculo do

valor modular equivalente, doravante denominado módulo composto, em

conformidade com as equações decorrentes da teoria da elasticidade a seguir

apresentadas (Suzuki, C.Y):

Equação 1:

(eq. 26)

Onde E1 e E2 são os módulos das camadas do pavimento com espessuras h1 e

dissertacao leonardo preussler revisada

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