novembro de 2013
Escola de Engenharia
Pedro Miguel Baptista Maia
Avaliação Estrutural de Pavimentos
Rodoviários após Instalação de
Infraestruturas
UMinho|20 13 P edr o Miguel Baptist a Maia Av aliação Es trutural de P a vimentos R odoviários após Ins
talação de Infraes
Dissertação de Mestrado
Mestrado em Engenharia Urbana – Perfil de
Infraestruturas Viárias
Trabalho realizado sob a orientação do
Doutor Hugo Manuel Ribeiro Dias da Silva
e do
Doutor Joel Ricardo Martins de Oliveira
Escola de Engenharia
Pedro Miguel Baptista Maia
Avaliação Estrutural de Pavimentos
Rodoviários após Instalação de
Infraestruturas
AGRADECIMENTOS
Os meus mais sinceros agradecimentos vão para diversas pessoas e instituições, pois o seu contributo traduziu-se em apoio, incentivo e persistência que ajudaram na elaboração deste trabalho.
Quero agora registar o meu profundo reconhecimento e gratidão:
Ao meu orientador, Professor Doutor Hugo Silva, e ao coorientador, Professor Doutor Joel Oliveira, Professores Auxiliares da Universidade do Minho, pela excelente orientação e empenho que sempre demonstraram ao longo da realização desta dissertação, pelo incentivo incansável, pelas valiosas sugestões, por toda a motivação que me incutiram, pela leitura crítica do original e sobretudo pela ininterrupta disponibilidade demonstrada.
Ao Técnico do Laboratório de Engenharia Civil, Engenheiro Carlos Palha, por todo o apoio e disponibilidade prestados na realização dos ensaios de campo.
Ao Chefe de Departamento de Obras Publicas da Camara Municipal de Fafe, Engenheiro Jorge Teixeira, por me permitir o acompanhamento de ambas as obras caracterizadas na dissertação.
À Fiscal de obra, Engenheira Maria, e ao Fiscal de obra, Pires, por toda a simpatia e apoio demonstrado durante a realização das obras em estudo.
A todos os meus amigos pelo apoio, preocupação e interesse condensada na pergunta: “Então, quando acabas o mestrado?”.
A todos vocês, um muito obrigado!
Finalmente, de modo especial, quero agradecer à minha família, em especial aos pais, irmão e namorada – Jorge, Ana, Jorge e Helena – pela compreensão, apoio incondicional, incentivo, motivação, amor e carinho imprescindíveis para a realização deste trabalho.
RESUMO
As vias rodoviárias assumem nos dias de hoje extrema importância no desenvolvimento económico e social de qualquer país. Nesse sentido é desejável que a sua qualidade estrutural e funcional se mantenha pelo maior período de tempo possível, aumentando o limite da sua vida útil. Contudo, a repavimentação de vias decorrentes de obras de instalação de infraestruturas sob pavimentos de vias urbanas põe em causa a sua qualidade, originando diversas patologias que estão diretamente ligadas à má execução dos trabalhos, com prejuízo dos utentes uma vez que geram desconforto e insegurança nas suas deslocações diárias. Este trabalho tem o intuito de verificar se as práticas operacionais de campo respeitam as boas normas de construção vigentes nas legislações municipais e acima de tudo pretende dar início a um estudo que permita aos municípios garantir a qualidade de execução nas suas obras de repavimentação após instalação de infraestruturas em estradas através de ensaios de capacidade de carga efetuados antes e após conclusão da obra. Com este tipo de metodologia de controlo de qualidade, para além do apoio que se pode prestar à fiscalização, pode garantir-se uma adequada capacidade de carga à intervenção no pavimento assegurando assim a qualidade estrutural e, por sua vez, a qualidade funcional do pavimento, proporcionando maior conforto aos utilizadores das vias e um maior período de vida útil ao pavimento.
O trabalho consistiu inicialmente na realização duma pesquisa bibliográfica sobre as diversas metodologias construtivas possíveis para a execução de obras de pavimentação após instalação de infraestruturas, tão comuns em meio urbano. Essa fase abrange variadíssimos temas como solos, compactação, metodologias de execução nacionais e internacionais, técnicas de controlo de qualidade e possíveis patologias futuras neste tipo de construções. Em seguida são apresentados dois casos de estudo onde se descrevem as metodologias utilizadas na reabilitação dos pavimentos e posterior análise das repercussões que cada tipo de metodologia construtiva teve ao nível da capacidade de carga no pavimento.
Como base na análise desses trechos em estudo foi possível concluir que o comportamento estrutural de um pavimento após a instalação de infraestruturas está intrinsecamente ligado à metodologia construtiva utilizada. Para além disso, e ao contrário do senso comum, também se comprovou ser possível obter uma capacidade de carga do pavimento satisfatória através do aumento das espessuras das suas camadas estruturais, mesmo quando não se controla o cumprimento integral das regras de construção e compactação. Assim, independentemente da metodologia construtiva ser a mais adequada ou não para o efeito, através do controlo de qualidade realizado por ensaios estruturais não destrutivos FWD, como se propôs neste trabalho, será sempre possível avaliar e garantir a qualidade estrutural exigida ao pavimento. PALAVRAS-CHAVE: Pavimentação após instalação de infraestruturas, Repavimentação,
Metodologias construtivas, Capacidade de carga, Qualidade estrutural.
ABSTRACT
The roads are nowadays extremely important in the economic and social development of any country. Thus, it is desirable that the structural and functional quality remains for the longest possible period of time, increasing the limit of its useful life. However, repaving roads due to the installation of facilities under urban road pavements reduces their quality, leading to several pathologies that are directly linked to the bad execution of the work, with detrimental consequences for users, namely the reduction of comfort and safety in their daily travel. This work aims to verify if the field operating practices follow good construction standards prevailing in municipal laws and, above all, aims to initiate a study to enable municipalities to ensure the quality of execution in his repaving works after installation of facilities in roads, through carrying out loading capacity tests before and after completion of the construction. With this type of methodology for quality control, in addition to the support it can provide to the supervision teams, it can also ensure adequate capacity for intervention work performed in the pavement, thereby ensuring the structural quality and, in turn, the functional quality of the pavement, providing more comfort for users of the road network and a longer period of life to the pavement.
The work originally consisted in carrying out a bibliographic research on various construction methods that can be performed for paving after installation of facilities in roads, so common in urban areas. That phase covers many different topics such as soils, compaction, and construction methods at national and international level, quality control techniques and possible future pathologies in such constructions. Then, two case studies are presented that describe the methods used in the rehabilitation of pavements and subsequent analysis of the impact that each type of construction method had in terms of the pavement loading capacity. Based on the analysis of these road trials under study it was concluded that the structural behaviour of a pavement after installation of facilities in roads is intrinsically linked with the construction method used. Furthermore, and contrary to the common sense, it was also proved that it may be possible to obtain a satisfactory loading capacity of the pavement by increasing the thickness of its structural layers, even when the compliance of building or compaction regulations are not fully controlled. Thus, regardless of the construction method used can be (or not) the most appropriate for the purposed work, through the use of quality control non-destructive structural tests performed with FWD, as proposed in this work, it will always be possible to assess and ensure the structural quality required for the pavement.
KEYWORDS: Paving after installation of facilities, Repaving, Construction
ÍNDICE
1. INTRODUÇÃO ... 1 1.1.Enquadramento ... 1 1.2.Objetivos... 2 1.3.Organização da dissertação ... 2 2. ESTADO DA ARTE ... 52.1.Classificação de solos para aterros ... 5
2.1.1. Introdução ... 5
2.1.2. Classificação de solos Americana (ASTM e AASHTO) ... 5
2.1.3. Classificação de solos Francesa (LCPC/SETRA) ... 7
2.1.4. Classificação de solos em Portugal ... 13
2.2.Compactação de solos... 17
2.2.1. Introdução ... 17
2.2.2. Conceitos fundamentais ... 17
2.2.3. Principais fatores que influenciam o processo de compactação ... 18
2.2.4. Ensaio de compactação ... 20
2.2.5. Equipamentos de compactação ... 21
2.2.6. Classificação LCPC/SETRA dos equipamentos de compactação ... 24
2.3.Metodologias adotadas na pavimentação após instalação de infraestruturas ... 28
2.3.1. Introdução ... 28
2.3.2. Metodologias adotadas na pavimentação de valas em Portugal ... 29
2.3.3. Metodologias adotadas na pavimentação de valas nos Estados Unidos da América ... 32
2.3.4. Metodologias adotadas na pavimentação de valas em França LCPC/SETRA ... 33
2.4.Outros casos de estudo relativos à instalação de infraestruturas ... 37
2.4.1. Perda de vida útil do pavimento após abertura de vala para instalação de infraestruturas ... 37
2.4.2. Reforço de zonas intervencionadas com recurso a geogrelhas ... 39
2.4.3. Perfurações horizontais sem abertura de vala (trenchless)... 42
2.5.Controlo da qualidade de compactação em obra e patologias associadas ... 44
2.5.1. Introdução ... 44
2.5.2. Métodos expeditos de determinação do teor em água ... 44
2.5.3. Métodos expeditos de determinação do peso volúmico seco ... 45
2.5.4. Métodos de controlo de compactação em obra LCPC/SETRA ... 46
3. DESCRIÇÃO DOS TRECHOS EM ESTUDO, SUA REABILITAÇÃO E
MÉTODOS DE ENSAIO UTILIZADOS ...53
3.1.Introdução ...53
3.2.Localização dos trechos em estudo...53
3.2.1. Trecho em calçada de cubos de granito ... 53
3.2.2. Trecho em material betuminoso ... 54
3.3.Reabilitação do pavimento nos trechos estudados ...55
3.3.1. Reabilitação do trecho em calçada de cubos de granito ... 56
3.3.2. Reabilitação do trecho em material betuminoso... 65
3.4.Métodos de ensaio utilizados para caracterização dos pavimentos ...78
3.4.1. Caracterização estrutural (FWD) ... 78
3.4.2. Ensaios realizados no trecho em calçada de cubos de granito ... 80
3.4.3. Ensaios realizados no trecho em material betuminoso ... 81
4. ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ...83
4.1.Introdução ...83
4.2.Capacidade de carga obtida com o FWD no trecho em calçada de cubos de granito ...83
4.2.1. Descrição inicial ... 83
4.2.2. Avaliação da capacidade de carga no sentido Norte/Sul... 84
4.2.3. Avaliação da capacidade de carga no sentido Sul/Norte... 87
4.2.4. Análise generalizada da capacidade de carga do trecho ... 88
4.3.Capacidade de carga obtida com o FWD no trecho em material betuminoso ...91
4.3.1. Comparação da capacidade de carga entre zonas com e sem intervenções anteriores (antes da nova instalação) ... 91
4.3.2. Variação da capacidade de carga em ensaios realizados antes e após a instalação de novas infraestruturas ... 95
4.3.3. Variação da capacidade de carga em ensaios realizados diretamente sobre a vala após a instalação de novas infraestruturas... 100
4.3.4. Variação da capacidade de carga ao longo do perfil transversal da estrada antes e após intervenção ... 103
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS... 107
5.1.Conclusões ... 107
5.2.Trabalhos futuros ... 109
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 – Fluxogramas para a classificação AASHTO de solos (Machado, 2002) ... 8
Figura 2 – Classificação de solos com dimensão máxima inferior ou igual a 50 mm (LCPC/SETRA) (SETRA/LCPC, 2000) ... 11
Figura 3 – Classificação de solos com dimensão máxima superior a 50 mm (LCPC/SETRA) (SETRA/LCPC, 2000) ... 11
Figura 4 – Curva de compactação de um solo (Santos, 2008) ... 18
Figura 5 – Variação das curvas de compactação de solos do ensaio Proctor normal para diferentes tipos de solos (Zica, 2010) ... 19
Figura 6 – Consequências de uma compactação deficiente (Multiquip.Basic, 2004) ... 22
Figura 7 – Placa vibratória usada na compactação de solos e misturas betuminosas (Bomag, 2013) ... 22
Figura 8 – Placa reversível usada para compactação (Bomag, 2013)... 23
Figura 9 – Compactador vibratório duplo (Bomag, 2013) ... 23
Figura 10 – Compactação de solos com “saltitão” (Bomag, 2013) ... 24
Figura 11 – Compactador vibratório tandem (Bomag, 2013) ... 25
Figura 12 – Exemplo de determinação do coeficiente K2 ... 28
Figura 13 – Assentamento de tubagem em vala com nível freático abaixo do leito da vala de acordo com a recomendação da empresa “Águas do Sado” (Águas do Sado, s. d.)... 30
Figura 14 – Cuidados a ter na compactação de solos no interior de valas de acordo com a Fersil (Fersil, 2007) ... 31
Figura 15 – Reabilitação de pavimentos em betão betuminoso sobre base flexível após instalação de infraestruturas (DPWT, 2003) ... 32
Figura 16 – Variação da massa volúmica seca sobre a altura da camada compactada (SETRA/LCPC, 1994) ... 34
Figura 17 – Definição da distância mínima a respeitar entre o compactador e a conduta (SETRA/LCPC, 1994) ... 35
Figura 18 – Caso tipo relativo a enchimento e reabilitação de valas sob pavimentos (SETRA/LCPC, 1994) ... 37
Figura 19 – Introdução da parte ativa do compactador em valas mais estreitas (SETRA/LCPC, 1994) ... 37
Figura 20 – Fendilhamento tipo pele de crocodilo após instalação de infraestruturas (Lee e Lauter, 1999) ... 38
Figura 21 – Perfil típico com valores da deflexão máxima na zona de influência das
valas (Lee e Lauter, 1999) ...39
Figura 22 – Saturação do solo depois de colocada a primeira camada na vala (Kazemian et al., 2010) ...40
Figura 23 – Estrutura de reabilitação do pavimento na zona da vala e localização da geogrelha (Kazemian et al., 2010) ...40
Figura 24 – Pavimento reabilitado na zona da vala com geogrelha BX 1100 (Kazemian et al., 2010) ...41
Figura 25 – Pavimento reabilitado na zona da vala com geogrelha BX 1500 (Kazemian et al., 2010) ...41
Figura 26 – Pavimento reabilitado na zona da vala sem reforço (Kazemian et al., 2010) ...41
Figura 27 – Perfuração horizontal dirigida durante a fase de cravação do furo piloto (Hidrossolo, 2006) ...43
Figura 28 – Equipamento de radiodeteção Subsite 750 Tracker (Sondagens Oeste, 2013) ...43
Figura 29 – Pormenor da colocação da tubagem (Sondagens Oeste, 2013) ...44
Figura 30 – Aparelho gamadensímetro (Tecnilab, 2013) ...45
Figura 31 – Penetrómetro e exemplo de penetrograma obtido nesse equipamento (Sedidrill, 2009; SETRA/LCPC, 1994) ...47
Figura 32 – Equipamento de controlo de compactação Dynaplaque (Lehmann + partner, 2013)...47
Figura 33 – Deterioração das áreas do pavimento próximo à vala (Stuchi, 2005) ...50
Figura 34 – Fendas longitudinais com o pavimento existente (Azambuja, 2009) ...50
Figura 35 – Rotura do pavimento reconstruido (Stuchi, 2005) ...50
Figura 36 – Fendilhamento por fadiga (Azambuja, 2009) ...50
Figura 37 – Assentamento do pavimento reconstruido (Stuchi, 2005)...51
Figura 38 – Assentamento da repavimentação (Azambuja, 2009) ...51
Figura 39 – Elevação do pavimento reconstruido (Stuchi, 2005) ...51
Figura 40 – Elevação da repavimentação (Azambuja, 2009) ...51
Figura 41 – Desagregação do pavimento reconstruido (Stuchi, 2005) ...52
Figura 42 – Desagregação da repavimentação (Azambuja, 2009)...52
Figura 43 – Caixas de visita com desnivelamento abaixo e acima do pavimento existente (Azambuja, 2009) ...52
Figura 44 – Localização do trecho em calçada de cubos de granito ...54
Figura 45 – Revestimento em calçada de cubos de granito...54
Figura 46 – Localização do trecho em material betuminoso...55
Figura 48 – Abertura de vala para remoção das infraestruturas existentes ... 56
Figura 49 – Assentamento da tubagem em pó de pedra ... 57
Figura 50 – Fundo das valas rochoso ... 58
Figura 51 – Aterro da tubagem com pedras de dimensões consideráveis ... 58
Figura 52 – Compactação manual das laterais da tubagem ... 59
Figura 53 – Compactação da primeira camada de aterro... 59
Figura 54 – Colocação da fita sinalizadora ... 60
Figura 55 – Aterro da segunda camada de solo... 60
Figura 56 – Restos de canalização antiga colocados junto com o aterro ... 61
Figura 57 – Águas provenientes das tubagens antigas... 61
Figura 58 – Colocação da parte superior do aterro ... 62
Figura 59 – Fecho total de vala para acesso a utentes ... 63
Figura 60 – Camada de brita no topo da vala ... 63
Figura 61 – Assentamento de calçada de cubos em pé de pedra... 64
Figura 62 – Estado final do pavimento após compactação... 64
Figura 63 – Marcação e corte da camada de desgaste betuminosa ... 65
Figura 64 – Abertura de vala para colocação de infraestruturas ... 66
Figura 65 – Limpeza do fundo da vala e assentamento da tubagem no próprio solo ... 67
Figura 66 – Aterro com recurso à escavadora ... 67
Figura 67 – Aterro da primeira camada diretamente do veículo de transporte ... 68
Figura 68 – Aterro da tubagem com pedras de dimensões consideráveis ... 68
Figura 69 – Compactação da primeira camada de aterro... 69
Figura 70 – Colocação da fita sinalizadora ... 69
Figura 71 – Compactação da segunda camada de aterro com recurso ao “saltitão” ... 70
Figura 72 – Compactação da segunda camada de aterro com recurso à escavadora ... 71
Figura 73 – Colocação de “tout-venant” no topo da vala ... 71
Figura 74 – Compactação do “tout-venant” com recurso ao veículo de transporte de materiais ... 72
Figura 75 – Aspeto final da obra antes da colocação da camada de desgaste betuminosa final ... 72
Figura 76 – Deterioração das áreas do pavimento junto à vala ... 73
Figura 77 – Abertura de caixa para reposição do pavimento ... 74
Figura 78 – Compactação do topo da “caixa” do pavimento com placa reversível ... 74
Figura 79 – Corte das imperfeições no pavimento... 75
Figura 81 – Colocação do betão betuminoso na parte dianteira da vala ...76
Figura 82 – Colocação do betão betuminoso na vala com recurso à mini-pá carregadora ...77
Figura 83 – Compactação do betão betuminoso com compactador tandem ...77
Figura 84 – Deflectómetro de Impacto (FWD) da Universidade do Minho ...79
Figura 85 – Ensaios realizados em ambos os sentidos no rodado esquerdo ...81
Figura 86 – Ensaios realizados em ambos os sentidos ...82
Figura 87 – Localização dos pontos de ensaio no trecho em calçada de cubos ...84
Figura 88 – Localização dos pontos de ensaio em cada sentido ...84
Figura 89 – Deflexões máximas antes e após sofrer intervenção (Sentido Norte/Sul)...86
Figura 90 – Deflexões máximas antes e após sofrer intervenção (Sentido Sul/Norte)...88
Figura 91 – Valores médios das deflexões máximas antes e após intervenção em ambos os sentidos ...89
Figura 92 – Deflexões máximas após intervenção no pavimento em ambos os sentidos ...89
Figura 93 – Redes de saneamento e pluviais instaladas a diferentes cotas e com diferentes materiais...90
Figura 94 – Deflexões médias em todos os geofones (bacias de deflexão) antes e após sofrer intervenção em ambos os sentidos ...90
Figura 95 – Esquema elucidativo dos pontos ensaiados para análise de vários objetivos ...91
Figura 96 – Esquema elucidativo dos pontos ensaiados para análise do objetivo nº1 ...91
Figura 97 – Localização dos pontos de ensaio em ambos os sentidos (Norte/Sul e Sul/Norte) ...92
Figura 98 – Deflexões máximas antes da intervenção em ambos os sentidos ...93
Figura 99 – Ensaio realizado num ponto singular em cima de vala transversal antiga ...94
Figura 100 – Esquema elucidativo dos pontos ensaiados para análise do objetivo nº2 ...95
Figura 101 – Deflexões máximas em ambos os sentidos após a nova intervenção no pavimento ...97
Figura 102 – Média das deflexões máximas antes e após sofrer intervenção em ambos os sentidos ...97
Figura 103 – Deflexões máximas antes e após realização da nova intervenção no sentido Norte/Sul ...98
Figura 104 – Deflexões máximas antes e após realização da nova intervenção no sentido Sul/Norte ...98
Figura 105 – Ensaio realizado sobre vala transversal antiga antes da intervenção no pavimento ...99
Figura 106 – Proximidade da nova vala em relação ao centro da via no sentido Sul/Norte ... 100
Figura 107 – Esquema elucidativo dos pontos ensaiados para análise do objetivo nº3 ... 100 Figura 108 – Deflexões máximas sobre a vala e antes de sofrer intervenção (Sentido
Sul/Norte) ... 101 Figura 109 – Bacias de deflexão médias dos ensaios realizados sobre a vala em
comparação com os ensaios realizados antes da nova intervenção (sentido
Sul/Norte) ... 102 Figura 110 – Esquema elucidativo dos pontos ensaiados para análise do objetivo nº4 ... 103 Figura 111 – Deflexões máximas medidas ao longo dum perfil transversal único antes e
após intervenção no pavimento ... 104 Figura 112 – Deflexões transversais após intervenção no pavimento ... 105
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 – Adaptação da classificação unificada de solos (ASTM D 2487-85)
(Fernandes, 1994) ... 6
Tabela 2 – Estados hídricos segundo a classificação de solos LCPC/SETRA ... 10
Tabela 3 – Classificação dos solos finos da classe A (LCPC/SETRA, 2000) ... 12
Tabela 4 – Condições a serem impostas para utilização de solos em aterro (SETRA/LCPC, 2000) ... 13
Tabela 5 – Condições de utilização em aterro dos solos da subclasse A2h (SETRA/LCPC, 2000) ... 14
Tabela 6 – Classificação e condições de utilização de solos segundo o caderno de encargos EP (CE EP, 2009) ... 16
Tabela 7 – Classificação de solos do caderno de encargos BRISA (Ribeiro, 2008) ... 16
Tabela 8 – Características dos ensaios Proctor normal e modificado (LNEC-E197, 1966) .... 21
Tabela 9 – Classificação LCPC/SETRA dos compactadores vibratórios (SETRA/LCPC, 1994) ... 25
Tabela 10 – Classificação LCPC/SETRA das placas vibratórias (SETRA/LCPC, 1994) ... 25
Tabela 11 – Classificação LCPC/SETRA dos “saltitões” (SETRA/LCPC, 1994) ... 26
Tabela 12 – Modalidades de compactação na parte superior do aterro (objetivo de densificação q3) (SETRA/LCPC, 1994) ... 27
Tabela 13 – Diferentes metodologias utilizadas em trabalhos de reabilitação de pavimentos após abertura de valas (Boletim Municipal, 2005, 2007 e 2011; RIVP-A, s.d.; RIVP-VNG, s.d.) ... 30
Tabela 14 – Definição dos objetivos de densificação para o enchimento de valas (SETRA/LCPC, 1994) ... 34
Tabela 15 – Distância mínima a respeitar entre a canalização e a parte ativa do compactador (SETRA/LCPC, 1994) ... 35
Tabela 16 – Classe e espessura dos materiais na zona q3 (SETRA/LCPC, 1994) ... 35
Tabela 17 – Classificação das relações entre as degradações e os fatores de degradação (Branco et al., 2008) ... 49
Tabela 18 – Deflexões registadas antes da intervenção no sentido Norte/Sul ... 85
Tabela 19 – Deflexões registadas após a intervenção no sentido Norte/Sul ... 85
Tabela 20 – Deflexões registadas antes da intervenção no sentido Sul/Norte ... 87
Tabela 21 – Deflexões registadas após a intervenção no sentido Sul/Norte ... 87
Tabela 22 – Deflexões registadas antes da intervenção no sentido Norte/Sul (já anteriormente intervencionado) ... 92
Tabela 23 – Deflexões registadas antes da intervenção no sentido Sul/Norte ...93
Tabela 24 – Deflexões máximas referentes aos ensaios realizados em cima da vala antiga já existente (sentido Norte/Sul) ...94
Tabela 25 – Deflexões máximas referentes aos ensaios realizados fora da área da vala antiga já existente (sentido Norte/Sul) ...95
Tabela 26 – Deflexões registadas após a intervenção no sentido Norte/Sul ...96
Tabela 27 – Deflexões registadas após a intervenção no sentido Sul/Norte ...96
Tabela 28 – Deflexões registadas em ensaios realizados diretamente sobre a nova vala ... 101
Tabela 29 – Deflexões transversais antes da intervenção... 104
1. INTRODUÇÃO
1.1. Enquadramento
A pavimentação rodoviária assume nos dias de hoje um papel de extrema importância na vida de qualquer cidadão na medida em que proporciona uma qualidade de circulação que se traduz em conforto e segurança para os utentes da via. A pavimentação rodoviária deve então ser dimensionada tendo em conta as condições climáticas e as ações de tráfego esperadas para o efeito, para aumentar a durabilidade do pavimento.
Assim, a um pavimento devem exigir-se dois tipos de qualidades: a qualidade funcional e a qualidade estrutural. A primeira relacionada com as exigências dos utentes – conforto e segurança de circulação – e a segunda relacionada com a capacidade do pavimento para suportar as cargas dos veículos sem sofrer alterações para além de determinados valores limite, os quais colocariam em causa a garantia da qualidade funcional, aquela que é captada pelos utentes rodoviários (Branco et al., 2008). Uma execução de pavimentos com boa qualidade não só garante os parâmetros assinalados, como retarda ações de conservação no pavimento e até no próprio veículo.
Contudo, e entrando um pouco mais na temática do trabalho, as obras de reabilitação dos pavimentos em vias urbanas após a abertura de valas para instalação de infraestruturas não são, habitualmente, executadas de forma a respeitar qualquer tipo de norma, caderno de encargos, ou regulamentação para o efeito. Este tipo de obras, hoje em dia, são indispensáveis para o normal funcionamento de qualquer cidade, e normalmente só são executadas (muitas vezes de forma deficiente) após a execução da pavimentação, provocando desta forma uma diminuição considerável tanto na qualidade funcional, como na qualidade estrutural do pavimento. Uma deficiente execução neste tipo de obras irá ter consequências não só na zona intervencionada mas também no resto do pavimento, muitas vezes devido à descompressão causada por um menor nível de compactação dos solos após abertura das valas neste tipo de obras de infraestruturas, causando desconforto, insegurança e até diminuição da própria capacidade estrutural.
A experiência diz que quando estes trabalhos são executados sem atender a materiais e processos adequados, a plataforma dos pavimentos à superfície sofrem deformações e abatimentos, designadamente em zonas de circulação viária e pedonal, das quais podem resultar para quem circula e para os organismos competentes elevados custos de conservação/exploração. Podem ainda em alguns casos causar danos nas infraestruturas instaladas, especialmente redes de drenagem, abastecimento de água e gás, dos quais resultam, habitualmente, prejuízos para particulares, empresas públicas e privadas.
Assim, a pavimentação após instalação de infraestruturas deve respeitar determinados critérios relacionados com os materiais ou com os processos construtivos, como o tipo de solo, equipamentos de compactação a utilizar, controlo do teor em água, tipo de materiais a utilizar nas camadas e respetivas espessuras, entre outros. O controlo da qualidade estrutural dos pavimentos construídos após instalação de infraestruturas é assim fundamental para se garantir condições de circulação adequadas em diversas vias urbanas que têm sido intervencionadas nos últimos anos para garantir melhor qualidade de circulação às populações. Compreende-se desta forma a pertinência e atualidade deste trabalho.
1.2. Objetivos
O objetivo deste trabalho passa por reunir um conjunto de informação construtiva sobre técnicas de pavimentação após instalação de infraestruturas através de uma intensa pesquisa bibliográfica, assim como analisar através de estudos de campo quais as metodologias construtivas utlizadas e qual a repercussão que as mesmas irão proporcionar ao nível da capacidade de carga na zona intervencionada.
Para além disso, pretende-se também perceber até que ponto os ensaios de capacidade de carga podem ser utilizados no controlo de qualidade deste tipo de intervenções, uma vez que os mesmos se traduziriam numa ferramenta útil para apoio à fiscalização para um controlo mais apertado em obras consideradas “não visíveis”. Sobretudo, este tipo de ensaios tornar-se-iam numa ferramenta de grande interesse para os organismos municipais, dando um contributo para a melhoria da regulamentação já implementada, prolongando deste modo o tempo da primeira intervenção para reparações e, consequentemente, aumentando a vida útil dos pavimentos onde se efetuem este tipo de instalações.
1.3. Organização da dissertação
Esta dissertação encontra-se dividida em cinco capítulos e vários subcapítulos, sendo que neste primeiro capítulo faz-se o enquadramento e definem-se os objetivos pretendidos, além de se apresentar de forma resumida o conteúdo do documento.
No capítulo 2, mais extenso, é feita uma análise bibliográfica do tema em estudo, com informação sobre os materiais, métodos construtivos e principais degradações associadas a este tipo de obras de instalação de infraestruturas em valas abertas em vias rodoviárias. Essa informação apresenta-se dividida em vários subcapítulos, tais como:
As principais classificações de solos em material de aterro a nível nacional e internacional, uma vez que existe uma enorme diferença de comportamento apresentada pelos diversos solos quando sujeitos às mais variadas solicitações previstas para diferentes tipos de obras no ramo da engenharia civil.
A importância da compactação do solo para um adequado desempenho funcional e estrutural de um pavimento, principalmente no que diz respeito a obras de infraestruturas e todas as especificidades que a compõem, assim como o tipo de equipamentos mais adequados para a realização desses trabalhos.
As metodologias construtivas utilizadas, no que se refere a obras de pavimentação após instalação de infraestruturas, tanto a nível nacional como internacional, uma vez que este tipo de trabalhos ocorre em circunstâncias especiais, pois as secções das valas normalmente não permitem a utilização dos meios e metodologias usualmente empregue nos trabalhos de compactação de aterros mais corrente.
Uma síntese das técnicas de controlo utilizadas ao nível da compactação no que se refere a obras de pavimentação após instalação de infraestruturas assim como das patologias associadas à falta de controlo de qualidade em obra. Nesse sentido serão abordados alguns dos ensaios que podem ser efetuados para controlo da compactação uma vez que grande parte das patologias que surgem após conclusão deste tipo de obras deriva de problemas estruturais ligados à deficiente compactação.
No capítulo 3 é apresentado todo o trabalho de campo efetuado, desde a descrição dos trechos estuados e das metodologias utilizadas nas obras em estudo para reabilitação do pavimento, à descrição do método de ensaio utilizado ao nível da caracterização estrutural do pavimento, assim como aos objetivos pretendidos com esses mesmos ensaios para cada trecho analisado. No capítulo 4 são apresentados os resultados e a discussão dos mesmos relativos aos ensaios realizados em ambas as obras, trecho em calçada de cubos e trecho em betuminoso, com base nos ensaios de carga efetuados por um equipamento de ensaio não destrutivo, disponível no Laboratório de Engenharia Civil da Universidade do Minho, fundamental para análise do comportamento dos pavimentos, o defletómetro de Impacto (FWD).
Por último, no capítulo 5 é apresentada a conclusão de todo o trabalho que originou esta Dissertação.
2. ESTADO DA ARTE
2.1.
Classificação de solos para aterros
2.1.1. Introdução
O solo é composto por grãos de materiais de diversos tamanhos e formas, eventualmente com material orgânico, água e gases (TAI, 1978). A palavra solo pode ter variadíssimos significados dentro das diferentes classes profissionais relacionadas com este material. O vocabulário de Estradas e Aeródromos (LNEC) define solo como o “conjunto natural de partículas minerais que podem ser separadas por agitação na água; os vazios entre as partículas contêm água e ar, separada ou conjuntamente” (Fernandes, 1994).
Em seguida serão apresentadas as principais classificações de solos utilizadas a nível nacional e internacional, uma vez que no ramo da Engenharia Civil existe uma enorme diferença de comportamento dos diversos tipos de solos quando sujeitos às mais variadas solicitações. A adequabilidade dos vários sistemas de classificação de solos continua a ser discutida, visto que alguns solos apresentam uma certa dificuldade na sua classificação. Ou seja, pode ocorrer que solos com índices próximos dos limites se classifiquem em grupos distintos, embora possam ter comportamentos mais semelhantes do que de outros solos de um mesmo grupo de classificação (Sória, 1985).
No entanto, quando se estuda um tipo de solo, este deve ser entendido por todos, ou seja, é necessário que exista um sistema de classificação de solos. De facto, a classificação deve permitir que, através da classe do solo, o Engenheiro possa correlacionar o comportamento do material em questão com o de outros solos já conhecidos podendo, desta maneira, prever o comportamento do solo na obra (Sória, 1985).
Assim, na construção de um determinado aterro podem ser utilizados os melhores meios de produção e mão-de-obra altamente qualificada, mas se o material de aterro não for bem caracterizado e não existir nenhuma preocupação com o estado hídrico do mesmo, haverá uma grande probabilidade de ocorrência de patologias posteriores à construção como é o caso dos assentamentos dos pavimentos, nomeadamente após instalação de infraestruturas.
2.1.2. Classificação de solos Americana (ASTM e AASHTO)
Um dos sistemas de classificação de solos mais comum foi estabelecido nos Estados Unidos da América e é chamado de Sistema de Classificação Unificada de Solos (USCS). Este sistema está dividido em quinze grupos identificados por nome e símbolos das letras. Este sistema de classificação, fundamentado na determinação de parâmetros relacionados com a granulometria e limites de Atterberg, foi elaborado inicialmente pelo Professor Casagrande,
em 1947. Este sistema de classificação (Tabela 1) destina-se a orientar a utilização dos solos como materiais de aterro (em estradas, aeródromos, barragens de terra, entre outros), e divide-se inicialmente em 4 grandes grupos: (1) Solos grossos (cascalho e areia); (2) Solos finos (silte e argila); (3) Solos orgânicos; e (4) Turfa (Fernandes, 1994).
Tabela 1 – Adaptação da classificação unificada de solos (ASTM D 2487-85) (Fernandes, 1994)
Critérios para designação dos símbolos e nome dos grupos utilizando ensaios de laboratório
Classificação do solo Símbolo do
grupo Nome do grupo
S ol os G ros sos % r eti d a n o # 2 0 0 > 5 0 % Cascalho % cascalho superior a % areia
%finos<5 Cu>4 e 1≤Cc≤ 3 GW Cascalho bem graduado
Cu≤4 e/ou [Cc<1 ou Cc>3] GP Cascalho mal graduado
5≤%finos≤12
Cu>4 e 1≤Cc≤ 3 e
finos ML ou MH GW–GM
Cascalho bem graduado com silte
Cu>4 e 1≤Cc≤ 3 e
finos CL ou CH ou CL-ML GW–GC
Cascalho bem graduado com argila ou argila siltosa Cu≤4 e/ou [Cc<1 ou Cc>3] e
finos ML ou MH GP–GM
Cascalho mal graduado com silte
Cu≤4 e/ou [Cc<1 ou Cc>3] e
finos CL, CH ou CL-ML GP–GC
Cascalho mal graduado com argila ou argila siltosa
finos ML ou MH GM Cascalho siltoso
%finos>12 finos CL ou CH GC Cascalho argiloso
finos CL-ML GC–GM Cascalho argilo-siltoso
Areia % areia inferior
ou igual à % cascalho
%finos<5 Cu>4 e 1≤Cc≤ 3 SW Areia bem graduada
Cu≤4 e/ou [Cc<1 ou Cc>3] SP Areia mal graduada
5≤%finos≤12
Cu>4 e 1≤Cc≤ 3 e
finos ML ou MH SW–SM
Areia bem graduada com silte
Cu>4 e 1≤Cc≤ 3 e
finos CL ou CH ou CL-ML SW–SC
Areia bem graduada com argila ou com argila siltosa Cu≤4 e/ou (Cc<1 ou Cc>3) e
finos ML ou MH SP–SM
Areia mal graduada com silte
Cu≤4 e/ou [Cc<1 ou Cc>3] e
finos CL ou CH ou CL-ML SP–SC
Areia mal graduada com argila ou argila siltosa
finos CL ou CH SC Areia argilosa
%finos>12 finos ML ou MH SM Areia siltosa
finos CL-ML SC - SM Areia argilo-siltosa
S ol os F in os % r eti da n o #2 00 ≤ 50 % Inorgânicos superior ou igual a 0,75 Siltes e Argilas wL<50%
IP>7 e situa-se na linha A ou
acima CL Argila magra
4≤IP≤ 7 e situa-se na linha A
ou acima CL - ML Argila siltosa
IP<4 ou situa-se abaixo da
linha A ML Silte
Siltes e Argilas wL≥50%
IP>7 e situa-se na linha A ou
acima CH Argila gorda
4≤IP≤ 7 e situa-se na linha A
ou acima CH–MH Argila gorda siltosa
IP<4 ou situa-se abaixo da
linha A MH Silte elástico
Orgânicos inferior a 0,75 Siltes e Argilas wL<50% OL Silte orgânico Siltes e Argilas wL≥50% OH Argila orgânica Solos altamente orgânicos
Principalmente matéria orgânica: cor
Já o sistema de classificação AASHTO (American Association of State Highway and
Transportation Officials), desenvolvido nos Estados Unidos da América, destina-se mais
especificamente à construção de estradas (CP, 2007). Entre 1927 e 1929 foi desenvolvida a classificação do United States Bureau of Public Road (PR-29) a partir de estudos realizados para uso de solos na construção de rodovias secundárias. Durante vários anos o sistema sofreu várias atualizações, mas é em 1942 que ganha forma o sistema atual de classificação de solos para utilização em estradas da AASHTO (Krebs et al., 1971).
O sistema de classificação AASHTO não classifica os solos por tipo, mas simplesmente os divide em sete grupos principais que se estendem de A-1 a A-7. Os solos altamente orgânicos são classificados visualmente e enquadrados num grupo A8. Os solos com melhores características são classificados de A1 e os mais pobres de A7. Embora a classificação AASHTO divida o solo em material granular e material silto-argiloso, a distinção é menos clara do que a existente no sistema unificado (ASTM).
Os solos dentro de cada grupo ou subgrupo são ainda avaliados de acordo com o seu índice de grupo (IG), o qual é calculado por intermédio de uma fórmula empírica (Machado, 2002). O IG é determinado com a Equação 1, onde as letras A e B são percentagens de solo que passam no #200, LL é o limite de liquidez e IP é o índice de plasticidade.
IG = (A - 35)×[0,20 + 0,005×(LL - 40)] + 0,01×(B - 15)×(IP - 10) (1)
A classificação AASHTO enquadra os solos em grupos com denominações A1 a A3 (solos grossos) e A4 a A7 (solos finos). Existem ainda subgrupos para esses grupos e o índice de grupo, cujo valor varia de 0 a 20. O IG deve ser apresentado entre parênteses ao lado da classificação e, quanto maior seu valor, pior será o solo comparado a outro dentro do mesmo grupo (Lodi, 1998). Assim, um solo A4 (8) será pior do que um solo A4 (5).
A classificação é feita inicialmente pela verificação da quantidade de solo que passa no #200. Aqui considera-se o material grosso como aquele com menos de 35% passados neste peneiro, sendo os solos finos os restantes. Os esquemas apresentados na Figura 1 ajudam a classificar o solo, seguindo-se os passos indicados da esquerda para a direita (Lodi, 1998).
2.1.3. Classificação de solos Francesa (LCPC/SETRA)
Em 1976 foi criada a 1ª edição da “Recommendation pour les terrasements routiers”, cuja função era servir os engenheiros na resolução de problemas no que dizia respeito à construção de aterros e leitos de pavimento, e que se apoiava sobre os parâmetros de identificação e de comportamento tidos como os mais representativos para essas funções. Esta classificação torna-se então mais prudente uma vez que visa certos aspetos como o estado hídrico dos solos sensíveis à água, o caracter evolutivo de certos materiais rochosos e também a dimensão máxima dos elementos maiores que se encontram no solo.
Figura 1 – Fluxogramas para a classificação AASHTO de solos (Machado, 2002)
Passados 15 anos de experiencia na aplicação da “Recommendation pour les terrasements
routiers” foi realizada uma revisão ao mesmo, dando origem a um novo documento. O novo
documento inspira-se essencialmente no documento original e compreende 4 objetivos (SETRA/LCPC, 2000):
Estabelecer uma classificação específica dos solos, definindo diferentes classes, sendo cada uma constituída por solos com comportamento suficientemente similar para que se justifique a mesma maneira de colocação em aterro ou leito de pavimento.
Formulação do modo de colocação em obra tendo em conta o tipo de solo e a respetiva utilização: aterro ou leito do pavimento.
A tradução em termos quantitativos, diretamente utilizáveis, das maneiras de executar a compactação em aterros e leitos do pavimento.
Os procedimentos e técnicas de controlo apropriadas à realização de aterros e leitos de pavimento.
Os parâmetros da classificação dos solos LCPC/SETRA agrupam-se em três categorias:
Parâmetros de natureza;
Parâmetros de comportamento mecânico;
Parâmetros de estado. SOLOS GROSSOS 35% ou menos passam no #200 Menos que 25% passam no #200 Passados no #40 < 50% Passados no #200 < 15% Passados no #40 < 30% Passados no #10 < 50% IP < 6% A-1-a Passados no #200 < 25% Passados no #40 < 50% IP < 6% A-1-b Passados no #40 ≥ 50% Passados no #200 < 10% NP A-3 Menos que 35% passam no #200 Silte IP ≤ 10% LL ≤ 40% A-2-4 LL ≥ 41% A-2-5 Argila IP ≥ 11% LL ≤ 40% A-2-6 LL ≥ 41% A-2-7 SOLOS SILTO-ARGILOSOS 35% ou mais passam no #200 Silte IP ≤ 10% LL ≤ 40% A-4 LL ≥ 41% A-5 Argila IP ≥ 11% LL ≤ 40% A-6 LL ≥ 41% IP ≤ (LL-30) LL ≥ 30% A-7-5 IP ≥ (LL-30) LP ≤ 30% A-7-6
Os parâmetros de natureza dizem respeito às características intrínsecas do solo que não variam, ou variam pouco com o tempo e com as próprias manipulações no decorrer da obra. Estas características são a granulometria e a argilosidade.
No que diz respeito à granulometria, o Dmax é a dimensão máxima dos maiores elementos contidos no solo. Os limites considerados para avaliar a granulometria são os seguintes:
A dimensão 50 mm distingue solos finos ou arenosos com cascalho de solos grossos.
O peneiro de 0,080 mm (nº 200) distingue os solos ricos em finos e avalia a sua sensibilidade à água. Os limites considerados são:
o 35% é o limite além do qual o comportamento do solo pode ser considerado como dependente da fração fina
o 12% é o limite convencional que permite estabelecer uma distinção entre os materiais arenosos e com cascalho, pobre ou rico em finos.
O peneiro de 2 mm distingue as areias dos cascalhos, cujos limites são:
o 70% é o limite além do qual os solos devem ser considerados areia e abaixo deste valor são considerados cascalho.
Para a caracterização da argilosidade dos solos o parâmetro mais utilizado é o Índice de Plasticidade (IP), mas também pode ser caracterizada através do valor do azul-de-metileno (VBS). O IP é tanto mais fiável quanto maior for a fração 0-400µm contida no solo e a sua argilosidade. A interpretação do IP é simples para valores superiores a 50% desta fração e valores do IP superiores a 12, mas é mais difícil quando esta proporção está abaixo de 35% e o valor do IP abaixo de 7. Os limites superiores do IP considerados são 12 para solos pouco argilosos, 25 para solos medianamente argilosos e 40 para solos argilosos e muito argilosos. O ensaio VBS representa a quantidade de azul-de-metileno que se pode adsorver sobre as superfícies internas e externas das partículas do solo, e exprime-se em gramas deste material por 100 gramas de solo. Este tipo de ensaio é utilizado no controlo da qualidade dos materiais sendo um método simples, económico e eficaz de avaliar o estado de limpeza de um agregado, permitindo estimar a quantidade e tipo de argilas presentes na sua fração fina (Branco, 1996). Os limites de VBS considerados são:
0,1 - Até este valor considera-se que o solo é insensível à água.
0,2 - Acima deste valor o solo apresenta alguma sensibilidade à água.
1,5 - Limite que distingue solos arenosos-siltosos dos solos arenosos argilosos.
2,0 - Limite que distingue solos siltosos pouco plásticos dos solos arenosos argilosos.
6,0 - Limite que distingue solos siltosos dos solos argilosos.
Os parâmetros de comportamento mecânico só são considerados na utilização dos solos em leitos do pavimento. Distinguem materiais de fração granular suscetível de resistir ao trafego daqueles que correm o risco de se fragmentar formando desta forma um solo maioritariamente de finos. Os parâmetros de comportamento a considerar são o Coeficiente de Los Angeles (LA) e o Micro-Deval em presença da água (MDE), medidos sobre a fração 10/14, e o Coeficiente de Fragilidade das Areias (FS), medido sobre a fração 0-1 ou 0-2 mm. Os limites considerados são de 45 para os valores de LA e MDE e 60 para valores de FS.
Por último, os parâmetros de estado não dizem respeito diretamente ao solo mas sim ao ambiente no qual se encontra. A classificação do estado hídrico do solo proporcionado por esta classificação ganha assim vantagem em relação às outras uma vez que a sua importância é extrema no que diz respeito a problemas de aterros e leitos de pavimento. Esta classificação proporciona então 5 estados representados na Tabela 2.
Tabela 2 – Estados hídricos segundo a classificação de solos LCPC/SETRA
Ts s m h th
Estado muito seco Estado seco Estado de
humidade média Estado húmido
Estado muito húmido
De entre os vários estados, aqueles que não permitem em geral a utilização do solo em condições técnico-económicas adequadas são o estado muito seco (ts) e o estado muito húmido (th). Já o estado de humidade média é aquele com a humidade adequada, ou seja, os problemas são mínimos na colocação em obra.
Os parâmetros utilizados para caracterizar o estado hídrico são:
O valor do teor em humidade natural (Wn) da fração 0-20 mm relativamente ao valor ótimo determinado no ensaio de Proctor normal (Wopn);
O valor do teor em humidade natural (Wn) relativamente aos valores dos limites de Atterberg (WL e Wp), que se exprimem pelo índice de consistência (Ic);
O índice de capacidade de suporte imediata (IPI) que exprime o valor do CBR imediato. O IPI apenas tem significado para caracterizar os estados h e th uma vez que traduz a capacidade do solo para a traficabilidade das máquinas.
Para uma classificação fácil e rigorosa dos solos através dos parâmetros atrás descritos será efetuada de seguida uma breve descrição dessa classificação para solos com dimensão máxima inferior ou igual a 50 mm e para solos com dimensão máxima superior a 50 mm. Para classificar um solo com Dmáx inferior ou igual a 50 mm é necessário recorrer a alguns dos seus parâmetros de natureza, mas também a um parâmetro de estado. Em relação aos parâmetros de natureza é necessário conhecer a percentagem de passados no peneiro nº 200 ou n º10, assim como o valor do índice de plasticidade (IP) ou do azul-de-metileno (VBS).
No que diz respeito aos parâmetros de estado é necessário conhecer o teor de humidade natural do solo (Wn) da fração 0-20 em relação ao teor de humidade ótimo retirado através do ensaio Proctor Normal. A classificação rápida dos solos com dimensão inferior a 50 mm (A1, A2, A3, A4, B1,B2,B3, B4,B5,B6, D1 e D2) é assim efetuada através da Figura 2.
Figura 2 – Classificação de solos com dimensão máxima inferior ou igual a 50 mm (LCPC/SETRA) (SETRA/LCPC, 2000)
O peneiro nº 200 é usado para classificar os solos A1, A2, A3, A4, B5 e B6, enquanto o peneiro nº 10 permite classificar os solos B1, B2, B3, B4, D1 e D2. Recorre-se ao peneiro nº 10 quando a percentagem de passados no peneiro nº 200 é inferior a 12, pois para cada intervalo do IP e do VBS existem dois tipos de solo.
Quando se classifica um solo com Dmáx superior a 50 mm também é necessário recorrer aos seus parâmetros de natureza e de estado. A classificação rápida dos solos com dimensão superior a 50 mm (D3, D4,C1 ou C2) é assim efetuada através da Figura 3.
Figura 3 – Classificação de solos com dimensão máxima superior a 50 mm (LCPC/SETRA) (SETRA/LCPC, 2000)
A título de exemplo, na tabela 3 é possível verificar através dos parâmetros atrás descritos como se procede à classificação de solos segundo o manual LCPC/SETRA, embora esta tabela diga respeito somente aos solos finos, classificados como sendo da classe A.
Tabela 3 – Classificação dos solos finos da classe A (LCPC/SETRA, 2000)
Classificação pela natureza Caracterização pelo estado Parâmetros
de 1º grau
Parâmetros de 2º grau
Subclasse
(natureza) Parâmetros a considerar
Subclasse (estado) Dmax ≤ 50mm e passados no peneiro 80μm > 35% VBS ≤ 2,5 IP ≤ 12 A1 Siltes e areias pouco plásticos
IPI ≤ 3 ; wN ≥ 1,25 wOPN A1th 3 < IPI ≤ 8 ; 1,10 wOPN ≤ wN < 1,25 wOPN A1h 8 < IPI ≤ 25 ; 0,9 wOPN ≤ wN < 1,10 wOPN A1m 0,7 wOPN ≤ wN < 0,9 wOPN A1s wN < 0,7 wOPN A1ts 12 < IP ≤ 25 2,5 < VBS ≤ 6 A2 Areais argilosas; siltes; argilas pouco plásticas
IPI ≤ 2 ; IC ≤ 0,9 ; wN ≥ 1,3 wOPN A2th 2 < IPI ≤ 5 ; 0,9 < IC ≤ 1,05 ;
1,1 wOPN ≤ wN < 1,3 wOPN
A2h 5 < IPI ≤ 15 ; 1,05 < IC ≤ 1,2 ;
0,9 wOPN ≤ wN < 1,1 wOPN A2m 1,2 < IC ≤ 1,4 ; 0,7 wOPN ≤ wN < 0,9 wOPN A2s IC > 1,4 ; wN < 0,7 wOPN A2ts 25 < IP ≤ 40 6 < VBS ≤ 8 A3 Argilas, siltes muito plásticos
IPI ≤ 1 ; IC ≤ 0,8 ; wN ≥ 1,4 wOPN A3th 1 < IPI ≤ 3 ; 0,8 < IC ≤ 1 ; 1,2 wOPN ≤ wN < 1,4 wOPN A3h 3 < IPI ≤ 10 ; 1 < IC ≤ 1,15 ; 0,9 wOPN ≤ wN < 1,2 wOPN A3m 1,15 < IC ≤ 1,3 ; 0,7 wOPN ≤ wN < 0,9 wOPN A3s IC > 1,3 ; wN < 0,7 wOPN A3ts IP > 40 VBS > 8 A4 Argilas muito plásticas
Valores limite dos parâmetros de estado a definir após estudo específico
A4th A4h A4m A4s
Já no caso da caracterização de materiais rochosos, tendo em vista o seu emprego em aterros ou leitos do pavimento, será necessário o geotécnico proceder a duas fases:
A primeira etapa consiste em identificar a natureza petrográfica da rocha, apoiando-se principalmente, na documentação e na reflexão geológica. Esta identificação fornece informações de ordem qualitativa sobre as características da rocha e do seu comportamento previsível.
A segunda etapa visa precisar como o material se vai comportar ao longo das sucessivas fases de extração, carga, espalhamento, compactação, sob a circulação de veículos pesados e sob a chuva, e se há risco de ainda evoluir quando a obra estiver em serviço, sob a ação das tensões mecânicas da água e do gelo.
Assim, os parâmetros a ter em conta na classificação de materiais rochosos são principalmente os parâmetros de estado e o comportamento mecânico.
Após a classificação dos solos torna-se de extrema importância respeitar as condições de utilização dos mesmos em aterro, visando a qualidade técnica tendo em conta os equipamentos de execução atuais e as práticas habituais, assim como os custos médios das diferentes técnicas e métodos utilizados atualmente em países industrializados.
Para o devido estudo das condições gerais de utilização dos solos em aterro (Tabla 4) é muito importante conhecer as condições meteorológicas presentes no momento de aplicação do solo.
Tabela 4 – Condições a serem impostas para utilização de solos em aterro (SETRA/LCPC, 2000)
Rubrica Código Condições de utilização
E - Extração
0 Nenhuma condição particular a recomendar 1 Extração em camadas (0,1 a 0,3 m)
2 Extração frontal (para uma frente de altura >1 a 2 m)
G – Ação sobre a granulometria
0 Nenhuma condição particular a recomendar 1 Eliminação dos elementos > 800 mm 2 Eliminação dos elementos > 250 mm 3 Fragmentação complementar após extração
W – Ação sobre o teor em água
0 Nenhuma condição particular a recomendar 1 Redução do teor em água por arejamento 2 Secagem por colocação em depósito provisório 3 Rega para manter o estado
4 Humidificação para mudar o estado
T -Tratamento
0 Nenhuma condição particular a recomendar
1 Tratamento com um reagente ou um aditivo adaptado 2 Tratamento com cal simples
R - Espalhamento
0 Nenhuma condição particular a recomendar 1 Camadas finas (0,2 a 0,3 m) 2 Camadas médias (0,3 a 0,5 m) C - Compactação 1 Compactação intensa 2 Compactação média 3 Compactação fraca H – Altura dos aterros
0 Nenhuma condição particular a recomendar 1 Aterro de fraca altura (≤ 5 m)
2 Aterro de altura média (≤ 10 m)
Segundo o manual LCPC/SETRA, após a classificação do solo e com o conhecimento das condições meteorológicas no momento da sua aplicação é possível avaliar as condições de utilização desse solo em aterros. Na Tabela 5 exemplifica-se as condições a aplicar a um solo classificado como A2h em função das condições climatéricas.
2.1.4. Classificação de solos em Portugal
Em Portugal esta classificação é feita com base nos documentos ou especificações de entidades de referência a nível nacional, tais como as especificações do Laboratório Nacional de Engenharia Civil, caderno de encargos das Estradas de Portugal e da BRISA, entre outros, fornecendo informação dos materiais adequados para aterro assim como a sua classificação.
Tabela 5 – Condições de utilização em aterro dos solos da subclasse A2h (SETRA/LCPC, 2000)
Solo Observações gerais
Condições
climatéricas Condições de utilização em aterro
Código E G W T R C H
A2h
Estes solos são difíceis de colocar em obra devido à reduzida capacidade de carga. A colocação em depósito provisório e a drenagem prévia
não são habituais em climas médios.
+ Chuva fraca Situação que não permite a colocação em
aterro com a garantia de qualidade suficiente NÃO
=
Sem chuva nem evaporação
importante
Solução 1: tratamento T: tratamento ao
calor C: compactação ligeira 0 0 0 2 0 2 0
Solução 2: utilização no estado
C: compactação ligeira
H: aterro de reduzida altura (< 5m)
0 0 0 0 0 3 1
- evaporação importante
Solução 1: arejamento
E: execução em camadas
W: redução do teor em água por arejamento R: camadas finas
C: compactação média
H: aterro de altura média (< 10m)
1 0 1 0 1 2 2
Solução 1: tratamento
T: tratamento ao calor C: compactação média
0 0 0 2 0 2 0
O Laboratório Nacional de Engenharia Civil classifica os solos para fins rodoviários pela especificação E240 “Solos. Classificação para fins rodoviários”, a qual se divide em sete grupos distintos através de ensaios de caracterização, análise granulométrica e limites de consistência.
Esta classificação compreende dois grandes grupos de solos: um deles que diz respeito aos materiais granulares (A-1, A-2, A-3); e outro respeitante a materiais silto-argilosos (A-4, A-5, A-6, A-7). Estes grupos distinguem-se pela percentagem de materiais passados no peneiro 0,074 mm (nº 200). Os materiais são granulares quando 35% ou menos de partículas passam no peneiro nº 200 e silto-argilosos quando mais de 35% de partículas passam no peneiro n º200 (LNEC-E240, 1970).
Esta classificação baseia-se na classificação AASHTO e, como tal, para se classificar de forma adequada o solo é necessário recorrer à granulometria a argilosidade do material (limite de liquidez e índice de plasticidade).
Dentro dos sete grupos da especificação E240 existem ainda subgrupos que se podem distinguir pelo índice de grupo (IG), que é um número inteiro que varia de 0 a 20.
O caderno de encargos da EP (CE EP, 2009) já é mais rigoroso e contem informação relevante no que diz respeito à classificação de solos e ao seu emprego em aterros e baseia-se na classificação unificada de solos.
Para satisfazer às exigências de estabilidade quase imediatas dos aterros, os materiais utilizados devem ter características geotécnicas que permitam atingir, logo após a sua
colocação em obra, as resistências, em particular mecânicas, que garantam esta exigência. Isto pressupõe que eles possam ser corretamente espalhados e compactados, sendo que:
É necessário que a dimensão máxima (Dmáx) dos seus elementos permita o nivelamento das camadas e que a sua espessura seja compatível com a potência dos cilindros utilizados;
O respetivo teor em água natural (Wnat) seja adequado às condições de colocação em obra.
Os solos ou materiais a utilizar deverão estar isentos de ramos, folhas, troncos, raízes, ervas, lixo ou quaisquer detritos orgânicos.
A dimensão máxima dos elementos dos materiais a aplicar será, em regra, não superior a 2/3 da espessura da camada, uma vez compactada.
A possível utilização dos diversos tipos de solos em função da zona do aterro em que irão ser aplicados deverá obedecer às seguintes regras gerais (Tabela 6), baseadas na classificação unificada de solos, contida na especificação ASTM D 2487.
A utilização dos diversos tipos de solos no seu estado natural, em função da zona do aterro em que irão ser aplicados, deverá obedecer às seguintes regras gerais:
Na Parte Inferior dos Aterros (PIA), devem, de preferência, ser utilizados solos pouco sensíveis à água, pertencentes às classes S2, S3, S4 e S5 previstas na Tabela 6. Sempre que os aterros se localizem em zonas muito húmidas ou inundáveis, ou integrem camadas drenantes, estas e/ou a PIA devem ser construídas com materiais com menos de 5% passados no peneiro 0,074 mm (nº 200);
No Corpo dos aterros podem ser utilizados os solos de pior qualidade;
Não é permitida a utilização de materiais rochosos (enrocamento) para conclusão da construção de terraplenos, e é proibido o recurso a técnicas do tipo sandwich (utilização de materiais diferentes alternadamente e de forma contínua) de modo a poder garantir-se um comportamento uniforme e contínuo do aterro;
Na Parte Superior dos Aterros, numa espessura entre 40 a 85 cm, devem utilizar-se os solos com melhores características geotécnicas. De preferência, aqueles materiais devem satisfazer simultaneamente as classes S2, S3, S4 e S5 da Tabela 6 anteriormente apresentada e os grupos A-1, A-2 e A-3 da classificação rodoviária. Por último, ao analisar o caderno de encargos da brisa no que se refere à classificação de solos, verifica-se que este é bastante simples e prático de se utilizar, classificando os solos em quatro grupos distintos: solos selecionados; solos adequados; solos toleráveis; e solos inadequados (como se verifica na Tabela 7).
Tabela 6 – Classificação e condições de utilização de solos segundo o caderno de encargos EP (CE EP, 2009) Classe CBR (%) Tipo de solo Descrição Reutilização PIA Corpo PSA
S 0
OL Siltes orgânicos e siltes argilosos orgânicos de
baixa plasticidade N N N
< 3
OH Argilas orgânicas de plasticidade média a elevada;
Siltes orgânicos N P N
CH Argilas inorgânicas de plasticidade elevada;
Argilas gordas N P N
MH
Siltes inorgânicos; Areias finas micáceas; Siltes micáceos N P N S 1 ≥ 3 e < 5 OL Idem N S N OH Idem N S N CH Idem N S N MH Idem N S N S 2 ≥ 5 e < 10 CH Idem N S N MH Idem N S N CL
Argilas inorgânicas de plasticidade baixa a média; Argilas com seixos, argilas arenosas.
Argilas siltosas e argilas magras.
S S P
ML
Siltes inorgânicos e areias muito finas; Areias finas, siltosas ou argilosas; Siltes argilosos de baixa plasticidade.
S S P
SC Areia argilosa;
Areia argilosa com cascalho. S S P
S 3 ≥ 10 e < 20 SC Idem S S S SM-d SM-u Areia siltosa; Areia siltosa; S P S S N SP Areias mal graduadas;
Areias mal graduadas com cascalho. S S S
S 4
≥ 20 e < 40
SW Areias bem graduadas;
Areias bem graduadas com cascalho. S S S GC Cascalho argiloso;
Cascalho argiloso com areia S S S GM-u Cascalho siltoso;
Cascalho siltoso com areia. S S P GP Cascalho mal graduado;
Cascalho mal graduado com areia. S S S
S 5 ≥ 40
GM-d Idem S S S
GP Idem S S S
GW Cascalho bem graduado;
Cascalho bem graduado com areia. S S S S – admissível; N – não admissível; P – possível; PIA – parte inferior do aterro; PSA – parte superior do aterro.
Tabela 7 – Classificação de solos do caderno de encargos BRISA (Ribeiro, 2008)
Classificação Dmáx #200 ASTM WL IP CBR a 95%
Solos selecionados < 8 cm ≤ 12 < 25 < 10 ≥ 20
Solos adequados < 10 cm ≤ 35 < 40 - ≥ 6
Solos toleráveis * - ≤ 65 < 0,6LL - 9 ≥ 3
Inadequados Não cumprem condições para solos toleráveis * Não deverão conter mais de 25% de materiais com mais de 15 cm.
2.2.
Compactação de solos
2.2.1. Introdução
Neste capítulo será abordada a importância da compactação para um adequado desempenho funcional e estrutural de um pavimento, principalmente no que diz respeito a obras de infraestruturas e todas as especificidades que a compõem, assim como o tipo de equipamentos mais adequados para a realização desses trabalhos.
A compactação é muito importante, especialmente quando os solos são utilizados como materiais de engenharia em estruturas de terra, tais como barragens de terra, aterros de estradas, pontes e preenchimentos em muros de contenção (Cetin et al., 2007).
Compactação pode ser entendida como um processo que origina a redução de volume de um solo sem variação do seu teor em água ou massa, sendo um processo que essencialmente altera a estrutura do solo (Crispin et al., 2011). Assim, é um processo pelo qual uma massa de solo constituída por partículas sólidas, água e ar vê diminuído o seu índice de vazios por redução do volume da sua fase gasosa conseguida à custa da aplicação repetida de cargas. O teor em água, razão do peso da água sobre o peso das partículas sólidas, é normalmente o mesmo para uma massa de solo solta e descompactada e a mesma massa num estado mais denso conferido pela compactação. A compactação permite um aumento da resistência ao corte, e uma redução da deformabilidade e permeabilidade do solo (Fernandes, 1994).
A compactação provoca um aumento do grau de saturação visto que o volume de vazios sofre uma diminuição por expulsão do ar. Contudo, a expulsão de todo o ar não é possível, verificando-se que fica sempre algum ar aprisionado entre os grãos de solo. Com este processo a área de contacto das partículas sólidas aumenta, aumentando assim a resistência do solo (Santos, 2008).
Caso a compactação seja executada indevidamente, pode dar margem a uma acomodação do solo e causar custos de manutenção desnecessários ou mesmo a perda da estrutura em causa (Multiquip.Basic, 2004). De forma a evitar esses danos é necessário ter em conta alguns fatores que interferem na compactação dos solos, tais como o tipo de solo, peso volúmico seco, teor em humidade e energia de compactação.
2.2.2. Conceitos fundamentais
Nos anos 30, Ralph Proctor trouxe uma contribuição importante para o desenvolvimento da técnica de compactação do solo, mostrando a relação entre o peso volúmico seco, o teor de humidade e a energia de compactação (Crispin et al., 2011). Durante a sua pesquisa, ele desenvolveu um procedimento para determinar a relação entre o peso volúmico seco e o teor
de humidade para solos coesivos, frequentemente referido como o ensaio Proctor (Parsons et
al., 2001).
O ensaio consiste em compactar um solo num molde padrão, usando uma energia de compactação normalizada para diferentes níveis de teor de humidade. O peso volúmico seco máximo e o teor de humidade ótimo são determinados em função dos resultados do ensaio (CETANZ, 2008). Para isso recorre-se à relação entre o teor em água (w) e o peso volúmico seco (γd) representada pela curva de compactação de um determinado solo (Figura 3).
Figura 4 – Curva de compactação de um solo (Santos, 2008)
Assim, para uma adequada compactação de um solo é fundamental que o teor em água e o nível de energia de compactação sejam os adequados.
A resistência ao corte de um dado solo coesivo compactado depende da compacidade do solo e do teor em água. A experiencia mostra que a resistência ao corte é máxima quando o solo é compactado do lado seco, decrescendo com o aumento do teor em água, mesmo quando este se aproxima do ótimo, isto é, mesmo quando cresce a compacidade (Fernandes, 1994).
Desde o trabalho pioneiro de Proctor, em 1933, muitos investigadores têm tentado explicar os vários mecanismos na fase de densificação, principalmente sobre o lado seco do teor em água ótimo. A curva de compactação foi explicada em ternos de capilaridade e lubrificação (Proctor, 1933), viscosidade da água (Hogentogler, 1936), teoria da pressão de poros em solos insaturados (Hilf, 1956), interações físico-químicas (Lambe, 1960), e os conceitos da teoria de tensão efetiva (Olson, 1963) (Kurucuk et al., 2007).
2.2.3. Principais fatores que influenciam o processo de compactação
Conforme foi descrito anteriormente, o teor de humidade a aplicar a um determinado solo tem uma influência determinante sobre o grau de compactação alcançado por esse mesmo solo.
