UTILIZAÇÃO DE PENETRÔMETROS NO CONTROLE
DE COMPACTAÇÃO DE CAMADAS ARENOSAS –
ESTUDO DE CASO: OBRA DE DUPLICAÇÃO DA RS/734,
TRECHO CASSINO – BR/392
Célio Ziotti
Universidade Federal do Rio Grande, Rio Grande, Brasil, celioziotti@yahoo.com.br Cezar Augusto Burkert Bastos
Universidade Federal do Rio Grande, Rio Grande, Brasil, bastos@dmc.furg.br
RESUMO: Este trabalho teve como objetivo estabelecer correlações válidas para uma areia fina litorânea entre o índice CBR e dois modelos de penetrômetros dinâmicos. Como campo experimental foi utilizada a pista em obras da RS/734 – Trecho Cassino – BR/392, para avaliar a confiabilidade dos equipamentos e a qualidade da correlação. O ensaio com penetrômetros não afeta a estrutura das camadas; sua execução é rápida e de fácil assimilação pelos operadores; tem baixo custo de aquisição e manutenção; permite avaliar a capacidade de suporte dos solos em profundidade; entre outras vantagens. Com o presente trabalho, pôde-se observar que os resultados encontrados para a areia fina em questão apresentam boa repetibilidade e que sua aplicação pode ser de grande utilidade na avaliação de camadas de solo compactadas com este material, além de ser ampliada para outras finalidades.
PALAVRAS-CHAVE: Penetrômetros, Compactação, Terraplanagem. 1 INTRODUÇÃO
A Engenharia Geotécnica ou Engenharia de Solos busca, entre outros, determinar as propriedades geotécnicas dos solos, visando conhecer o comportamento destes no seu estado natural (indeformado ou com estrutura preservada) e também quando este é modificado (deformado, amolgado ou estrutura destruída). O usual, em projetos de pavimentação, é a obtenção de valores de capacidade de suporte de forma indireta em laboratório. Ensaios como o CBR (Califórnia Bearing Ratio) ou ISC (Índice de Suporte Califórnia), efetuado em amostras moldadas em laboratório, são utilizados numa tentativa de estimar as propriedades encontradas na pista. Já os ensaios de campo, como o CBR “in-situ”, constituem-se em procedimentos demorados e de custo elevado. Além disso, não permitem avaliar a estrutura do pavimento em profundidade (Berti, 2005).
Os penetrômetros têm grande mobilidade e facilidade de operação aliados ao baixo custo de
aquisição, o que permite verificar o perfil de resistência do solo em profundidade, tanto no estado natural quanto compactado (Paiva et al., 2006).
Paiva et al. (2006) afirmam ainda que os valores resultantes destes ensaios (CBR e penetrômetros) são relacionáveis entre si. Neste sentido, têm sido estabelecidas diversas correlações obtidas por várias entidades no Brasil e em outros países. Estas são analisadas pela regressão dos resultados e muitas são demonstradas graficamente e sob a forma de equações através de modelos bi-logarítmicos e exponenciais. Estas correlações variam de acordo com o material ensaiado, as condições do ensaio e o tipo de equipamento.
Pela simplicidade e mobilidade que os penetrômetros apresentam, estes equipamentos permitem a realização de um número muito maior de ensaios, resultando numa melhor avaliação da heterogeneidade das camadas de aterros, solos naturais ou bases de pavimentos. O ensaio não requer grandes escavações ou
perfurações, o que o caracteriza como um ensaio semi não-destrutivo (Alves, 2002).
Para esta pesquisa foram utilizados dois tipos de penetrômetros: O Dynamic Probing Light ou Penetrômetro Dinâmico Leve (DPL / PDL) de propriedade do Laboratório de Geotecnia da Escola de Engenharia / FURG e o Dynamic Cone Penetrometer ou Cone de Penetração Dinâmica (DCP / CPD) de propriedade da empresa Incorp Consultoria e Assessoria Ltda.
2 MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Características da Obra
O trecho CASSINO – BR/392 da Rodovia RS/734, encontra-se totalmente localizado dentro do município de Rio Grande, tem direção aproximada sul-norte, com extensão total de 10,68 km. Seu início é junto ao canteiro da Avenida Rio Grande, na saída do Balneário Cassino, sendo a estaca 0+000 situada nas proximidades do prédio histórico da antiga Estação Férrea do Cassino. O trecho termina no viaduto de entroncamento com a BR/392. 2.2 Penetrômetros Utilizados na Pesquisa 2.2.1 Dinamic Probing Light (DPL)
O DPL utilizado na pesquisa, segue as especificações da norma alemã DIN 4094, conforme mostrado na Tabela 1:
Tabela 1. Especificações do Dinamic Probing Light (DPL).
Peso do Pilão 10 kg Altura de queda 50 cm Peso do dispositivo de penetração
(sem o pilão) 6 kg Hastes Tubo 22 x 4,5 mm Acoplamento das hastes Pino roscado M16 Comprimento das hastes 1 m Seção transversal da ponteira 10 cm²
Diâmetro da ponteira 3,56 cm Ângulo da ponteira ???
Para este trabalho são utilizadas duas hastes do equipamento, uma acoplada à ponteira cônica para penetração e outra que serve de guia para o martelo. As partes roscáveis são mantidas devidamente engraxadas e livres de sujeira para garantir um encaixe perfeito. O
equipamento, quando armazenado, fica desmontado e acondicionado em caixa apropriada.
A execução do ensaio consiste em aplicar golpes na haste que contém em sua extremidade a ponteira cônica. São contabilizados o número de golpes para um valor padrão de penetração (p.ex 10 cm) ou, alternativamente, é medida a deformação decorrente de cada golpe.
Para a execução do ensaio deve-se verificar a ponteira visualmente, reparando se a ponta cônica não está desgastada, neste caso deve-se providenciar a substituição. Ao montar o equipamento é necessário checar se as juntas estão firmemente unidas e alinhadas. Deve-se também, regularmente, passar grafite em pó na haste e no furo do martelo afim de se manter a condição de descida da massa o mais livre possível de atrito.
2.2.2 Dinamic Cone Penetrometer (DCP)
Proposto no exterior e no Brasil como alternativa para controle de compactação em campo, o DCP é normatizado pela norma americana ASTM (Americam Society for Testing and Materials) D 6951 de 2003.
O DCP possui uma haste de 16 mm de diâmetro (Figura 1), tendo, em uma das extremidades, uma ponteira em forma de cone, com 20 mm de diâmetro e ângulo de 60º (Figura 2). A ação dinâmica é provocada por um martelo com peso de 8 kg deslizando pela haste até se chocar com o batente de uma altura de queda de 575 mm.
Figura 1. Dimensões do DCP.
Figura 2. Detalhe da ponta cônica do DCP.
O ensaio DCP, assim como o DPL, pode ser realizado com o auxílio de duas pessoas, podendo sua execução ser otimizada com mais
um ajudante. O martelo é deixado cair através da haste por uma altura de 57,5 cm até encontrar o batente. Efetuam-se após cada golpe, medidas das penetrações associadas com uma régua. Estas medidas podem ser tomadas em centímetros ou milímetros conforme a conveniência.
Alguns autores especificam o emprego do DCP para materiais que vão desde argila até brita graduada, sendo restringida sua utilização somente para as misturas de agregados com ligantes betuminosos, que por serem considerados relativamente impenetráveis, impossibilitam a realização do ensaio ao causar danos à ponta do cone. Outrossim, pelo desgaste que se observa na ponta cônica durante a execução do procedimento experimental em brita graduada, tornando necessário a sua substituição muito frequente, para estes materiais o ensaio tende a se tornar oneroso. 2.3 Ensaios em Laboratório
Para o trabalho, foram realizados ensaios de laboratório em duas amostras, uma proveniente do subleito natural da obra coletado entre as estacas 8+900 e 9+200 e outra vinda da jazida Dique Seco, que fornece material para a execução dos aterros. Foi feita a análise granulométrica conforme NBR 7181/84 (Solo – Análise Granulométrica) para determinar a distribuição granulométrica dos solos. Estes também foram classificados segundo a classificação HRB (Hihgway Research Board), também conhecida como classificação AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials), e pelo SUCS (Sistema Unificado de Classificação de Solos).
Também foram realizados ensaios de compactação conforme a NBR 7182/86 (Ensaio Normal de Compactação) e do Índice de Suporte Califórnia (ISC) conforme a NBR 9895/87 (Solo – Índice de Suporte Califórnia).
Para estabelecer as correlações com o DPL, foram moldados CPs nas três energias de compactação, estes foram rompidos após imersão. Já para o estudo com o DCP, foram moldados corpos de prova apenas na energia do Proctor modificado, variando apenas os teores de umidade.
2.4 Ensaios com o DCP e DPL em Laboratório
Os ensaios feitos em laboratório visaram unicamente a obtenção de dados para formular a correlação e foram baseados nas normas ASTM D 6951 – 03 (Standard Test Method for Use of the Dynamic Cone Penetrometer in Shallow Pavement Applications) e DIN 4094 – 64 (Equipamento para Sondagens por Cravação em Solos e Terrenos1).
O ensaio consiste na introdução de uma haste dotada de ponta cônica na massa de solo através de impacto dinâmico causado por um peso, resultando no parâmetro DN (penetração por golpe) dado em mm/golpe.
Para isso foram moldados corpos de prova CBR, na energia especificada, e após o molde foi transportado para uma superfície que oferecesse suporte ao CP. O material da superfície de suporte escolhido foi o terreno natural, para permitir que o cone, ao atravessar o CP não seja danificado e para simular uma camada inferior de aterro.
No presente trabalho, optou-se por utilizar o terreno natural existente no pátio da empresa Incorp Cassino. Este apresenta-se compactado, livre de pedras e outros elementos que podiam danificar o cone. A superfície deve ser perfeitamente plana, para isso pode-se regularizar o terreno com uma régua de madeira antes de se efetuar o procedimento.
Após verificadas estas condições, posiciona-se cuidadosamente o cone sobre o centro do corpo-de-prova, verificando seu alinhamento vertical. Neste momento, devido à massa do equipamento, geralmente ocorre uma pequena penetração, que não é contabilizada, neste momento, procede-se a chamada leitura inicial L0. Após isso, efetuaram-se as penetrações,
elevando o martelo (altura de 50 cm no caso do DPL e 57,5 cm para o DCP) e deixando-o cair em queda livre sobre o batente, provocando a penetração da ponteira + haste no molde. Obtem-se uma leitura de penetração para cada impacto. Como a altura do corpo de prova é conhecida, logo que a haste transpor o molde e comece a perfurar o terreno natural abaixo
1 Traduzido do original em alemão
deste, encerra-se o ensaio. A última penetração, que transpõe o CP, não é contabilizada. A Figura 3 mostra o ensaio realizado com o DPL.
Figura 3. Posição inicial do DPL dentro do corpo-de-prova CBR.
No caso do DCP, após tentativas de se executar o mesmo procedimento empregado para o DPL, concluiu-se que isto não é possível devido a que o material estudado apresenta relativa baixa capacidade de suporte, combinado com o fato de que a ponteira cônica do DCP é sensivelmente mais delgada que a do DPL. Com isso, ao se aplicar o primeiro golpe o cone acabava por atravessar o molde, chegando a provocar o deslocamento da amostra em relação ao CP, sem a obtenção de efetivas leituras no material a ser ensaiado.
Adotou-se então, a prática de se moldar dois corpos de prova, um no molde do ensaio de compactação de Proctor e outro no molde CBR (Figura 4). Com dois parafusos foram unidos os CPs, o molde Proctor embaixo e o CBR sobre este. Com esse artifício, foi possível se obter uma ou mais leituras no solo a ser ensaiado. O ensaio era dado por encerrado quando a penetração atingia o molde inferior. O artifício permitiu dar maior estabilidade e apoio ao corpo-de-prova CBR, garantindo a indeslocabilidade da amostra e propiciando as leituras desejadas.
2.5 Ensaios Penetrométricos em Campo
Na realização dos ensaios DCP e DPL em campo mede-se, com uma régua, em centímetros ou milímetros, a penetração para dado número de golpes dado no aparelho. De
acordo com a resistência das camadas a serem atravessadas, é arbitrado o número de golpes para cada leitura, conforme Kleyn e Savage (1982) apud Alves (2002), pois quando o solo é mais resistente, o número de golpes necessários para se alcançar determinada profundidade pode ser consideravelmente maior do que quando a camada é composta por um solo de menor capacidade de suporte.
Figura 4. DCP dentro do corpo-de-prova CBR ao final do ensaio.
Essa decisão fica a critério do interessado. Sabe-se que no caso de uma grande camada homogênea, três golpes por leitura agiliza o procedimento, mas no caso de camadas mais finas, eventualmente pode-se transpor a camada e, assim, criar uma certa confusão na interpretação das leituras. Ressalta-se também que a escolha de uma leitura para cada penetração, permite a obtenção de um perfil de resistência mais detalhado. Para cada golpe aplicado, ou série de golpes, anota-se em planilha a penetração do cone. No trabalho em questão, optou-se por efetuar leituras para cada golpe dado.
A profundidade final do ensaio é convencionada conforme a necessidade apresentada, no caso de ensaios para se obter as correlações desta pesquisa, convencionou-se que a profundidade de 25 cm era suficiente.
Deve-se sempre observar o bom estado de conservação e limpeza do cone. A manutenção da posição vertical durante a execução do ensaio evita atrito excessivo entre o martelo e a haste guia. Deve-se, antes de cada campanha e quando da ocorrência de contato com camadas mais rígidas, verificar se a ponta cônica está em
bom estado, providenciando-se sua substituição caso contrário.
A Figura 5 ilustra a execução do ensaio.
Figura 5. Execução do ensaio DPL em campo.
Os ensaios de campo com os penetrômetros foram executados seguindo dois procedimentos distintos.
Num primeiro momento, foram obtidos quatro valores de DN em um mesmo local. Esses pontos foram locados em torno de um ponto central onde foi executado posteriormente o ensaio de Frasco de Areia para medida do peso específico aparente do solo compactado, distribuídos em forma de cruz e tendo um afastamento de 40 cm entre ensaios em posição oposta. Foram realizados quatro ensaios com cada equipamento e o valor de DN do ponto foi tomado como a média dos quatro valores.
Posteriormente, em pontos isolados do subleito ao longo do eixo da nova pista da rodovia, foram feitos ensaios únicos (em um único ponto) e os resultados tomados como o DN de cada ponto.
2.6 Interpretação dos Resultados
Com os dados obtidos no ensaio, constrói-se a Curva DCP (ou DPL) (Figura 6). As ordenadas indicam a profundidade, dada em milímetros, e as abcissas o número acumulado de golpes necessário para alcançar esta profundidade.
Figura 6. Exemplo de Curva DCP.
A inclinação da reta ajustada aos pontos experimentais fornece o Índice de Penetração DN em mm/golpe, definido, portanto, como a razão entre a profundidade e o número de golpes dados até se alcançar esta profundidade (equação 1).
(1)
Para efeito de cálculo do parâmetro DN, a primeira leitura é desconsiderada. A medida é justificada pelo fato de que no primeiro golpe a condição de contato entre o cone e o solo não é a mesma dos demais golpes.
3 RESULTADOS
3.1 Caracterização dos Materiais
Nas duas amostras utilizadas nesta pesquisa, o material foi previamente caracterizado como não plástico (NP), sendo dispensada a realização de ensaios de limites de Atterberg. Conforme a classificação HRB (ou AASHTO), ambas as amostras foram classificadas como solo A-3: areias finas de praia, sem presença de silte ou argila ou com muito pequena quantidade de silte não plástico. Já pelo SUCS, os solos foram classificados como areias mal graduadas (SP).
Os ensaios de compactação forneceram os valores de umidade ótima (wot) e peso
específico máximo (γdmáx) utilizados como base
para os ensaios de CBR. Na Tabela 2 são apresentados os resultados obtidos nos ensaios de compactação e CBR.
Tabela 2. Resultados dos ensaios de compactação e CBR. Amostra /
Energia de Compactação
Subleito
/ Normal Intermediária Subleito / Modificada Subleito /
Jazida Dique-seco / Modificada Peso Específico Aparente Seco (g/cm³) 1,653 1,661 1,688 1,695 Teor de Umidade (%) 13,5 14,1 13,3 11,5 CBR na umidade ótima (%) 22,4 31,8 33,9 37,7
3.2 Ensaios com os Penetrômetros
Dos ensaios com os cones de penetração dinâmica, obtiveram-se curvas números de golpes (acumulados) x penetração para os ensaios DCP (curva DCP) e para os ensaios DPL (curva DPL). As Figuras 7 e 8 ilustram estas curvas.
Figura 7. Exemplo de Curva DPL de laboratório.
Figura 8. Exemplo de Curva DCP de laboratório.
Dos ensaios de campo resultam curvas DCP e DPL como ilustrado na Figura 9.
Figura 9. Exemplo de Curva DCP de campo.
3.3 Obtenção das Correlações
Com os valores obtidos nos ensaios CBR e de cone em laboratório, tem-se os pares CBR x DN, estes foram relacionados na forma CBR x DCP e CBR x DPL.
3.1.1 CBR x DPL
A Tabela 3 fornece os resultados obtidos nos ensaios de laboratório e utilizados para a correlação.
Tabela 3. Resumo do Índices de Suporte Califórnia e do Valor DN (DPL). PONTO / ENERGIA DE COMPACTAÇÃO CBR (%) (mm/golpe) DN - DPL 1 / normal 17,3 45,0 2 / normal 17,8 43,5 3 / normal 22,4 32,0 4 / normal 18,0 22,8 1 / intermediário 19,7 44,5 2 / intermediário 22,9 34,0 3 / intermediário 24,7 28,5 4 / intermediário 31,8 22,8 1 / modificado 25,6 43,5 2 / modificado 28,4 19,7 3 / modificado 33,9 16,0 4 / modificado 41,2 22,8
A correlação foi estabelecida, plotando esses dados em gráficos do software Excel e buscando o ajuste pela linha de tendência na forma de potência. O coeficiente de correlação R² permite avaliar a “qualidade” da correlação. Varia de 0 a 1, sendo desejável que seu valor se aproxime da unidade. Segundo Berti (2005), em estudos experimentais desta natureza, são consideradas aceitáveis as correlações com R² > 0,5.
Num primeiro momento foram plotados todos os dados. O valor de R² obtido foi considerado insatisfatório (R² < 0,5). Fazendo-se uma análiFazendo-se dos dados, pode-Fazendo-se perceber que alguns pontos notavelmente divergem da tendência apresentada. Assim, na Figura 10 apresenta-se o gráfico onde os pontos considerados espúrios foram excluídos.
Figura 10. Correlação CBR x DPL.
A correlação assim proposta para o DPL assume a forma da equação 2, válida para valores de DN (DPL) entre 15 e 45 mm/golpe.
(2) 3.1.2 CBR x DCP
Da mesma forma que na correlação com o DPL, foram plotados no software Excel os dados apresentados na Tabela 4. Após a primeira análise, novamente foram retirados da avaliação da correlação os pontos experimentais considerados espúrios. Resultando assim o gráfico apresentado na Figura 11.
Tabela 4. Resumo dos Índices de Suporte Califórnia e do Valor DN (DCP). PONTO / ENERGIA DE COMPACTAÇÃO CBR (%) DN - DCP (mm/golpe) 1 / modificado 21,4 97,0 2 / modificado 23,6 79,0 3 / modificado 27,6 56,5 4 / modificado 18,8 53,0 5 / modificado 32,0 52,5 6 / modificado 32,4 34,3 7 / modificado 32,3 32,7 8 / modificado 37,7 34,0 9 / modificado 31,4 45,0 Figura 11. Correlação CBR x DCP.
A correlação assim proposta para o DCP assume a forma da equação 3, válida para valores de DN (DCP) entre 30 e 100 mm/golpe.
(3) As correlações obtidas foram consideradas satisfatórias, possibilitando estimar o valor do CBR para o subleito natural em areias desta mesma natureza.
A Tabela 6 apresenta um comparativo entre as estimativas feitas através dos ensaios com o DCP e o DPL.
Tabela 5. Valores estimados de CBR para o sub-leito utilizando o DCP e o DPL.
LOCAL ESTIMADO (%) DCP – CBR ESTIMADO (%) DPL – CBR Estaca 8+900 50,5 64,4 Estaca 9+000 53,6 68,6 Estaca 9+100 53,0 58,2 Estaca 9+200 53,4 67,8
Para aterros compactados e camadas de pavimento com este mesmo material, correlações mais amplas (envolvendo maiores densidades e por conseqüência valores menores de DN) a serem obtidas com o mesmo procedimento metodológico, sejam promissoras. A observância ao intervalo de validade das equações propostas faz-se necessário. Extrapolações podem levar a estimativas incorretas e, portanto, não são recomendadas.
4 CONCLUSÕES
O trabalho realizado confirma o potencial dos penetrômetros em obras viárias. Referências são feitas quanto ao emprego dos mesmos no controle de compactação, avaliação de vias não
pavimentadas existentes, controle de camadas estabilizadas, campanhas rápidas de reconhecimento de subleito, entre outros. Dentre as vantagens, podemos citar que o ensaio não afeta a estrutura da camada ensaiada, é de fácil operação e de rápida execução, possui baixo custo de aquisição e manutenção, não requer mão-de-obra especializada e seus resultados apresentam boa repetibilidade.
Outro ganho importante com a utilização dos penetrômetros é sua habilidade em avaliar a capacidade de suporte dos solos em profundidade, ou seja, pode-se medir a resistência do subleito ou das camadas do pavimento, sem destruir as superiores. Pode-se traçar, através das curvas DPL ou DCP, um perfil da resistência do solo ao longo de uma ou mais camadas, sendo capaz de atingir até 90 cm de profundidade.
As correlações obtidas foram consideradas satisfatórias, sendo indicadas para a estimativa do valor do CBR para o subleito natural em areias litorâneas com mesma mineralogia e distribuição granulométrica daquela estudada. Também estima-se que para aterros compactados e camadas de pavimento com este mesmo material, correlações mais amplas, sejam promissoras.
É importante ter ciência de que é necessário se obter uma curva de calibração para cada tipo de solo estudado e que extrapolações não são recomendadas. Da mesma forma, se alguma característica física do penetrômetro ou a forma de execução do ensaio sofrerem modificações, correlações anteriormente estabelecidas podem perder sua validade.
REFERÊNCIAS
Alves, A. B. C. Avaliação da Capacidade de Suporte e
Controle Tecnológico de Execução de Camada Final de Terraplenagem Utilizando o Penetrômetro Dinâmico de Cone. Dissertação de Mestrado.
Florianópolis: Universidade Federal de Santa Catarina, 2002.
American Society for Testing and Materials. ASTM D6951: standard test method for use of the dynamic cone penetrometer in shallow pavement applications. Estados Unidos, 2003.
Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 7181: solo – análise granulométrica. Rio de Janeiro, 1984.
Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 7182: solo – ensaio normal de compactação. Rio de Janeiro, 1986.
Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 9895: solo – índice de suporte califórnia. Rio de Janeiro, 1987.
Berti, C. Avaliação da Capacidade de Suporte de Solos
"in-situ" em Obras Viárias Através do Cone de Penetração Dinâmica: Estudo Experimental.
Dissertação de Mestrado. Campinas: Universidade Estadual de Campinas, 2005.
Deutsches Institut für Normung. DIN 4094: soil; exploration by penetration tests; aids to application, supplementary informations. Alemanha, 1964.
Paiva, C. E. L.; Berti, C. Correlações Índices de
Penetração DCP e CBR Disponíveis na Literatura.
In: Jornadas Luso-Brasileiras de Pavimentos: Políticas e Tecnologias, V, 2006, Recife. Anais V Jornadas Luso-brasileiras de Pavimentos: Políticas e Tecnologias. Recife, 2006.
