PLANEJAMENTO, DIMENSIONAMENTO E PROJETO DO TRECHO EXPERIMENTAL

A concepção do trecho rodoviário experimental teve como foco a construção de um pavimento em camadas, com controle tecnológico de compactação; de tal sorte a conferir a esse pavimento boas condições de rolamento, durabilidade e suficiente capacidade de suporte. Mais além, procurou-se estabelecer uma forma de comparação entre o pavimento experimental e as outras estradas existentes na mina, sendo possível avaliar as características mecânicas de cada espécie. Além disso, priorizou-se uma metodologia acessível, eficiente e de baixo custo, de forma a não acarretar procedimentos extras às equipes de infra-estrutura de mina. A pista de testes deveria contemplar, ainda, a possibilidade de instalação dos instrumentos de monitoramento, empregando-se como materiais exclusivamente estéreis de mina.

No dimensionamento do pavimento empregou-se o software ELSYM5. Foram estimadas as tensões verticais e horizontais para cada camada do pavimento, admitindo- o inicialmente como um sistema em camadas de 20 e 30cm, alternando-se os materiais. A partir dos resultados do ensaio triaxial de carregamento repetido e empregando-se os modelos areno-argiloso e composto, obteve-se o módulo de resiliência representativo de cada camada do pavimento. Este foi tomado constante para uma mesma espessura, variando em profundidade conforme o nível de tensão estimado analiticamente. Este, por sua vez, foi confirmado por meio de retroanálise, conforme sugerido por Parreira (2006):

i. Admitindo-se uma distribuição de tensões em profundidade segundo um ângulo de espraiamento constante, calcularam-se os valores de módulos de resiliência, substituindo os valores de tensão estimados analiticamente nos modelos areno- argiloso e composto, obtidos em ensaio;

ii. Em seguida, avaliou-se o estado de tensões obtido via ELSYM5;

iii. Os valores de tensões encontrados computacionalmente foram comparados novamente aos valores calculados analiticamente;

iv. Os procedimentos foram então repetidos até se obter uma convergência satisfatória de valores de módulo de resiliência e/ou estado de tensões.

A seguir, avaliaram-se diferentes arranjos estruturais propostos para o pavimento e seus impactos sobre as tensões, deformações e deslocamentos experimentados pelo sistema, sempre referindo-se ao topo do subleito (Figura 4.18).

Após análise, os valores de tensões obtidos foram comparados ao valor admissível utilizado por Albernaz (2005), do DER-MG, correspondente a cerca de 60% da pressão de contato pneu-pavimento, normalmente admitida em projetos de pavimentos rodoviários. Outros critérios de obtenção da tensão admissível poderiam ser levados em conta, conforme o tipo de material empregado, como os propostos por Yoder e Witczack (1975) e Motta (1991); além de resultados obtidos a partir de ensaios in situ.

As tensões atuantes nas camadas do pavimento, calculadas analiticamente, estão apresentadas na Tabela 4.5. A geometria do problema proposto é mostrada na Figura 4.19. Os dados utilizados na análise são descritos a seguir:

i. Dados do veículo e do carregamento:

• Veículo-tipo: CFE da marca Caterpillar, modelo 785C; • Eixo considerado: traseiro (eixo simples de rodas duplas);

• Carga bruta do veículo plenamente carregado: 2.446,5kN (249.480kgf); • Carga total no eixo traseiro (veículo carregado): 1.639,2kN (167.151,6kgf); • Carga por roda simples: 409,8kN (41.787,9kgf);

• Pressão de inflação dos pneus (fabricante): 586,0kPa (85psi); • Área de contato (fabricante): 8,5x10-3

m2 (5.594cm2);

• Pressão de contato equivalente (Equação 3.1): 414,4kPa (4,2kgf/cm2 ); • Pressão descarregada no pavimento: 784,5 kPa (8kgf/cm2

) 5; • Raio da área de contato pneu-pavimento (r): 0,447m 6

.

5

Pressão obtida analiticamente (espraiamento de tensões), sem levar em consideração a pressão de calibragem dos pneus.

6

ii. Dados do subleito:

• Material: CL (rocha in situ, bastante alterada);

• Tensão vertical máxima de compressão admissível: 348kPa (60% do menor valor entre a pressão de inflação do pneu e a pressão de contato a priori considerada, ou seja, 586kPa);

• Módulo de resiliência adotado: 53.208kPa;

• Coeficiente de Poisson adotado, no caso de materiais arenosos (Medina e Motta, 2005; Yoder e Witczack, 1975): 0,35;

• Deformação máxima permitida no topo da camada (tomada com base na capacidade estimada para os sensores de deformação e pressão): 0,30%.

iii. Dados das demais camadas:

• Módulo de resiliência do estéril CL: 147.760kPa (base); 102.219kPa (sub- base);

• Módulo de resiliência do estéril CCM: 408.205kPa (base); 215.269kPa (sub- base); 119.842kPa (reforço);

• Módulo de resiliência do estéril AL: 181.508kPa (base); 143.096kPa (sub- base);

• Coeficiente de Poisson adotado (areia): 0,35;

• Deslocamento máximo recomendado no contato base/sub-base (estimado com base na capacidade dos sensores de deformação): 2,5mm.

iv. Dados geométricos da estrutura e pontos de análise: • Número de camadas: 4;

• Espessura das camadas: 20cm (subleito semi-infinito);

• Número de pontos horizontais de análise: 1 ponto (centro da roda mais externa), de coordenadas X=Y=0;

• Número de pontos verticais de análise: 5 pontos, de coordenadas Z indicadas na Tabela 4.5.

Tabela 4.5: Tensões atuantes no pavimento, estimadas analiticamente.

Camada do Pavimento

Ponto de

Análise Distância da Superfície - Z (cm) σV (kPa) σH (kPa)

1 (topo) 2 784,43 731,97 Base 2 (interface) 18 743,64 365,40 Sub-base 3 38 571,34 128,86 Reforço do subleito 4 58 394,72 47,37 Subleito 5 80 262,62 18,14

r Z Y X O BASE SUB-BASE REFORÇO SUBLEITO 1 2 3 4 5

Figura 4.19: Pontos de análise tomados na simulação via ELSYM5.

Os resultados da análise computacional são apresentados na Tabela 4.6, em termos de tensões e deformações normais — em relação aos três eixos coordenados X, Y e Z. Os deslocamentos são apresentados somente segundo o eixo Z (verticais), uma vez que as condições de entrada no programa restringiram os deslocamentos uX e uY a zero.

Verificaram-se que as tensões atuantes no topo da camada de subleito (ponto 4) ficaram em cerca de 30% da tensão admissível considerada. Tensões horizontais de compressão foram observadas com maior ocorrência em superfície, ao passo que em profundidade prevaleceram esforços de tração. Os maiores valores de deformação vertical foram observados para camadas mais superficiais, sendo a deformação máxima de compressão observada para o topo do subleito da ordem de 0,26%. O deslocamento máximo observado correspondeu a 2,3mm — valor perfeitamente compatível com os faixas de sensibilidade admissíveis de sensores de deformação e de pressão. A partir daí, pôde-se estabelecer um pré-dimensionamento e definir a espessura total do pavimento experimental: 60cm, incluindo três camadas de 20cm cada, apoiadas sobre um subleito em rocha (condicionante natural do local), regularizado. Em virtude da maior ocorrência dos estéreis CL e CCM na mina de Fábrica, optou-se pelo emprego destes materiais na superestrutura do pavimento. Outros tipos de estéreis, como IPA e IC, por exemplo, não foram levados em conta na simulação por se mostrarem inadequados a camadas superficiais de pavimento, devido ao elevado potencial de geração de material

particulado, observado in loco. O estéril AL, por sua vez, demandaria uma distância média de transporte razoável, inviabilizando sua aplicação na área 1 da mina, local dos testes. Todavia, optou-se pela campanha de ensaios envolvendo todos os materiais, a fim de se consolidar a caracterização e a investigação geotécnica de todos os estéreis ocorrentes na mina de Fábrica.

Tabela 4.6: Resumo da simulação com o programa ELSYM5.

Configuração Ponto _de Análise

σX

(kPa) (kPa) σY (kPa) σZ (mm) uZ (%) εX (%) εY (%)εZ

1 -605 -605 -585 2,3 -0,13 -0,13 -0,11 2 -315 -315 -529 2,2 -0,01 -0,01 -0,21 3 109 109 -361 _2,0 0,09 0,09 -0,20 4 125 125 -229 _1,8 0,14 0,14 -0,26 1 5 1 1 -158 _1,5 0,10 0,10 -0,30 1 -624 -624 -585 2,6 -0,14 -0,14 -0,10 2 -212 -212 -542 2,4 0,03 0,03 -0,27 3 -57 -57 -393 _2,1 0,10 0,10 -0,34 4 128 128 -250 _1,9 0,14 0,14 -0,28 2 5 -0,11 -0,11 _{-171 1,5} 0,12 0,12 -0,32 1 -947 -947 -584 2,0 0,10 -0,10 -0,02 2 -126 -126 -498 2,0 0,02 0,02 -0,10 3 154 154 -314 _1,8 0,10 0,10 -0,20 4 123 123 -197 _1,6 0,12 0,12 -0,24 3 5 4 4 -136 _1,3 0,09 0,09 -0,26 1 -659 -659 -585 2,2 -0,12 -0,12 -0,07 2 -297 -297 -524 2,1 -0,01 -0,01 -0,17 3 120 120 -352 _2,0 0,09 0,09 -0,20 4 125 125 -222 _1,8 0,13 0,13 -0,26 4 5 1 1 -154 _1,5 0,10 0,10 -0,29 1 -670 -670 -585 2,3 -0,13 -0,13 -0,06 2 -235 -235 -531 2,3 0,02 0,02 -0,20 3 16 16 -370 _2,1 0,10 0,10 -0,27 4 129 129 -234 _1,8 0,14 0,14 -0,27 5 5 1 1 -160 _1,5 0,11 0,11 -0,30

Onde: σZ e σX = σY são, respectivamente, as tensões vertical e horizontais normais; uZ é o deslocamento

vertical; εZ e εX = εY são, respectivamente, as deformações vertical e horizontais normais. O sinal

Após a etapa do dimensionamento, elaborou-se um protótipo que consistiu de quatro seções experimentais, cada uma com peculiaridades próprias (Tabela 4.7). Ressalta-se, no entanto, que a seção de número 4 foi executada conforme os procedimentos habituais empregados nas demais estradas da mina, doravante aqui denominada “padrão CVRD”. No que tange o procedimento de execução, a seção 4 difere das demais seções, ainda, por não ter sido satisfatoriamente compactada.

Tabela 4.7: Características gerais das seções experimentais.

Seção Material de _Base Material de _Sub-base Material de _Reforço Material do _Subleito Estabilização Química da Base

Tratamento Contra Pó

1 CL CCM CCM Rocha Sim Sim

2 CL CCM CCM Rocha Não Sim

3 CL CCM CCM Rocha Sim Sim

4 CCM Rocha Não Não

Definido pela equipe de mina o melhor local para a implantação do trecho experimental, passou-se à elaboração do Projeto Executivo. Assim, a pista foi executada em um trecho em variante para, mais tarde, ser aberta definitivamente ao tráfego.