Escola de Engenharia
Joaquim Pedro Mendes Vilela de Oliveira
Avaliação de diferentes métodos de
ensaio para determinação da capacidade
de carga da fundação de pavimentos
rodoviários
Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Joaquim Pedro Mendes Vilela de Oliveira
Avaliação de diferentes métodos de
ensaio para determinação da capacidade
de carga da fundação de pavimentos
rodoviários
Dissertação de Mestrado
Mestrado Integrado em Engenharia Civil
Trabalho efetuado sob a orientação de
Professor Doutor Joel Ricardo Martins Oliveira
Professor Doutor Francisco Ferreira Martins
iii
AGRADECIMENTOS
Esta dissertação é o culminar de cinco anos de um percurso académico cheio de pessoas indispensáveis e marcantes na minha vida, às quais devo o meu sucesso:
Ao Professor Doutor Joel Ricardo Martins Oliveira, na qualidade de meu orientador, devo o meu agradecimento por todo o suporte pedagógico, por todo o apoio, pela confiança que demonstrou em mim, por toda a sabedoria que me transmitiu e pelas palavras finais no tomar de decisões. O seu sentido crítico juntamente com o seu profissionalismo, trouxeram a esta dissertação um resultado final ainda mais interessante.
Ao Professor Doutor Francisco Ferreira Martins, na qualidade de meu coorientador, devo o meu agradecimento por me ter transportado a sua experiência, pela ajuda e suporte na tomada de decisões. A análise crítica no final da dissertação foi deveras importante. Ao Engenheiro Carlos Palha, deixo o meu sincero agradecimento pelo tempo que disponibilizou para me ajudar na parte laboratorial desta dissertação. Agradeço também por todo o suporte técnico e conhecimentos na área.
À empresa Cândido José Rodrigues, S.A., agradeço pelo fornecimento do solo.
Aos meus colegas e amigos agradeço estes anos de apoio, estudo, diversão e convivência. Aos meus avós deixo o meu agradecimento pelo carinho, preocupação e apoio durante estes anos. Sinto que sempre foram como uns pais para mim, e isso foi muito importante. Ao meu irmão Rui deixo um grande abraço por ser esse amigo desde que nasceu e desejo as maiores felicidades neste curso que está a começar para ele.
À Maria, seria difícil descrever em palavras toda a ajuda que me foi dando, deixo aqui um agradecimento especial por todo o suporte emocional, psicológico e intelectual. Todo o companheirismo, apoio e paciência foram fundamentais no meu percurso académico assim como têm sido na minha vida.
Aos meus pais não posso deixar menos do que um enorme OBRIGADO! As pessoas que mais orgulho tenho, as pessoas mais importantes da minha vida, as pessoas que tornaram isto possível foram eles. Seria impensável eu ter iniciado o meu percurso académico se não tivesse os pais que tenho. Seria impensável ser quem sou sem eles. Amo-os!
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Avaliação de diferentes métodos de ensaio para determinação da
capacidade de carga da fundação de pavimentos rodoviários
RESUMO
Com um crescimento de quase 700% no parque automóvel total em Portugal desde 1974 até 2010 (fonte: ACAP), a rede rodoviária tem obrigatoriamente de se adaptar e desenvolver. Com este progresso vem a adoção de novas soluções como a criação de novas estradas e a conservação/reabilitação da rede.
O estudo destas soluções de pavimentos rodoviários baseia-se no conhecimento da capacidade de carga da sua fundação. No entanto, nem sempre existe a possibilidade de realizar uma caraterização in situ desta capacidade de carga, obter o seu módulo de deformabilidade e consequentemente os módulos de deformabilidade das camadas sobrejacentes. Ainda assim, nos casos em que existe essa possibilidade, podem ser usados métodos mais precisos, mas exaustivos e morosos ou métodos mais rápidos e simples, mas cujos resultados estão ainda por clarificar, como é o caso do defletómetro de impacto ligeiro (Light Falling Weight Deflectometer, LFWD).
Esta dissertação concentra-se no estudo e comparação de métodos de avaliação da capacidade de carga de solos de fundação de pavimentos rodoviários. Faz-se uma comparação entre o ensaio de carga com placa, o defletómetro de impacto ligeiro, o ensaio de CBR in situ (California Bearing Ratio) e CBR dinâmico (um ensaio ainda pouco conhecido e desenvolvido, mas com algum interesse devido à sua rápida aplicabilidade). Na impossibilidade de dizer qual o melhor método para avaliação da capacidade de carga de um solo, é possível obter o módulo de deformabilidade através da comparação de ensaios. No entanto, fica confirmado que o LFWD é, de facto, o ensaio mais rápido, simples e prático, sendo também aquele que apresenta os resultados mais conservativos.
Palavras-Chave
Defletómetro de Impacto Ligeiro Capacidade de carga Módulo de deformabilidade
Fundação de pavimentos Solos
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Evaluation of different test methods for determining the bearing
capacity of road pavement foundations
ABSTRACT
With a growth of almost 700% in the total car fleet in Portugal from 1974 to 2010 (source: ACAP), the road network must adapt and develop. With this progress comes the adoption of new solutions such as the creation of new roads and conservation / rehabilitation of the network.
The study of these solutions of road pavements is based on the knowledge of the load capacity of its foundation. However, it is not always possible to carry out an in situ characterization of this load capacity, to obtain its resilient modulus and consequently the resilient modulus of the layers above. Nevertheless, when this possibility exists, more precise but exhaustive and time-consuming methods may be used, or faster and simpler methods, but whose results are still to be determined, as is the case of the Light Falling Weight Deflectometer (LFWD).
This dissertation is based on the study and comparison of methods for evaluating the load capacity of road pavement subgrade soils. A comparison between the plate load test, the Light Falling Weight Deflectometer, the CBR test in situ (California Bearing Ratio) and dynamic CBR (which is not yet well known and developed, but interesting due to its quick applicability).
Although it was not possible to determine the best method for evaluating the load capacity of a soil, it is possible to obtain the resilient modulus by comparing the tests. However, it is confirmed that LFWD is, in fact, the fastest, simplest and most practical test, and it is also the one with the most conservative results.
Keywords
Light Falling Weight Deflectometer Load Capacity
Resilient Modulus Pavement foundation
ix
ÍNDICE
1 INTRODUÇÃO ... 1 1.1 Enquadramento temático ... 1 1.2 Objetivos ... 4 1.3 Conteúdo da dissertação ... 4 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 72.1 Evolução histórica dos pavimentos ... 7
2.2 Constituição e dimensionamento de pavimentos rodoviários ... 8
2.2.1 Constituição de um pavimento rodoviário ... 8
2.2.2 Método 1 – Método da Shell (1978) ... 10
2.2.3 Método 2 – Método de Nottingham (1985) ... 12
2.2.4 Método 3 – Dimensionamento através do MACOPAV (1995) ... 13
2.2.5 Método 4 – Método do TRL (2004) ... 14
2.2.6 Método 5 – Método de Dresden (2005) ... 15
2.3 Influência do solo de fundação num pavimento rodoviário ... 16
2.4 Ensaios de avaliação da capacidade de carga de um solo ... 18
2.4.1 Defletómetro de Impacto ... 18
2.4.2 Defletómetro de Impacto Ligeiro ... 20
2.4.3 Ensaio de carga de placa ... 23
2.4.4 Ensaio de CBR ... 25
2.4.5 CBR dinâmico ... 27
3 CASO DE ESTUDO E METODOLOGIAS UTILIZADAS ... 29
3.1 Seleção do local de estudo... 29
x
3.2 Ensaios de caracterização geotécnica ... 32
3.2.1 Limites de Consistência ... 32
3.2.2 Análise Granulométrica ... 33
3.2.3 Equivalente de areia ... 35
3.2.4 Azul-de-metileno ... 37
3.2.5 Ensaio de compactação Proctor ... 38
3.2.6 Ensaio de CBR (California Bearing Ratio) ... 40
3.3 Metodologias de ensaio na caixa de solo ... 42
3.3.1 Ensaios realizados com o nível de compactação mais baixo ... 43
3.3.2 Ensaios realizados com o nível de compactação intermédio ... 47
3.3.3 Ensaios realizados com nível de compactação mais alto ... 48
4 ANÁLISE DE RESULTADOS ... 51
4.1 Resultados obtidos nos ensaios de caracterização geotécnica... 51
4.1.1 Azul-de-metileno ... 51
4.1.2 Análise granulométrica ... 52
4.1.3 Equivalente de areia ... 53
4.1.4 Ensaio de compactação Proctor ... 53
4.1.5 Ensaio CBR (California Bearing Ratio)... 54
4.2 Resultados obtidos nos ensaios realizados nas caixas ... 55
4.2.1 Ensaio com o defletómetro de impacto ligeiro (LFWD) ... 55
4.2.2 Ensaio de carga com placa ... 60
4.2.3 Ensaio com CBR in situ ... 62
4.2.4 Ensaio CBR dinâmico ... 65
4.2.5 Comparação entre ensaios ... 68
xi
4.2.7 Resultados medidos nos sensores piezoelétricos introduzidos no
solo ... 71
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS E PERSPETIVAS FUTURAS ... 75
5.1 Conclusões... 75
5.2 Propostas de alteração para trabalhos futuros ... 75
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Pavimento rodoviário flexível (adaptado de Pereira e Miranda, 1999) ... 8
Figura 2 – Módulo de deformabilidade da fundação e camadas granulares vs CBR (adaptado de Shell, 1978) ... 11
Figura 3 – Divisão do país por zonas, consoante as temperaturas máximas do período estival (JAE, 1995) ... 13
Figura 4 – Esquema típico de um ensaio com FWD (adaptado de Nega et al., 2016) ... 19
Figura 5 – Defletómetro de Impacto Ligeiro e respetivas componentes (adaptado de Tawfik e El-Mossallamy, 2017) ... 22
Figura 6 – Leitura exemplo de um ensaio com o LWFD (adaptado de HMP, 2014)... 22
Figura 7 – Ensaio de carga com placa (adaptado de Albernaz, 1997)... 23
Figura 8 – Gráfico de carregamento do ensaio de placa (adaptado de AFNOR, 2000) ... 24
Figura 9 – Variação da vida dos pavimentos em função da capacidade de suporte do solo de fundação (adaptado de Morais e Minhoto, 2014) ... 27
Figura 10 – Solo residual granítico usado nos ensaios ... 30
Figura 11 – Resultado de uma previsão de deslocamento total do solo no programa RS2 9.0, da RocScience ... 31
Figura 12 – Ensaio do limite de liquidez ... 33
Figura 13 – Solo utilizado na análise granulométrica ... 33
Figura 14 – Ilustração dos peneiros ASTM utilizados ... 34
Figura 15 – Peneiração do solo na análise granulométrica ... 34
Figura 16 – Resultado final da peneiração ... 35
Figura 17 – Solo a utilizar no ensaio e respetiva proveta ... 36
Figura 18 – Ensaio do equivalente de areia: a) preparação das provetas; b) agitação; c) fase final da agitaçao ... 36
Figura 19 – Fase final do ensaio do equivalente de areia: a) repouso das provetas; b) medição das provetas... 37
Figura 20 – Procedimento do ensaio de azul-de-metileno: a) introdução e agitação do solo no gobelé; b) introdução do azul de metileno; c) agitação; d) recolha de amostras... 37
xiv
Figura 22 – Compactação Proctor: a) recipiente de medida; b) célula Proctor; c)
compactação automática ... 39
Figura 23 – Alisamento da zona superior do solo ... 39
Figura 24 – Esquartelamento: a) peneiro ½ polegada; b) esquartelador; c) solo esquartelado ... 40
Figura 25 – Procedimento da compactação para o ensaio CBR: a) humedecimento do solo; b) repartição do solo; c) compactação com pilão de compactação; d) compactação com vibrocompactador ... 41
Figura 26 – Ensaio de CBR: a) molde de CBR preparado; b) aplicação da carga e mediç... 41
Figura 27 – Métodos de avaliação do teor de água: a) estufa; b) álcool; c) micro-ondas ... 42
Figura 28 – Compactação no compactador automático ... 42
Figura 29 – Caixa utilizada para a compactação do solo ... 43
Figura 30 – Equipamento para obtenção do teor de água do solo ... 44
Figura 31 – Ensaio na caixa: a) deposição do solo na caixa; b) colocação do primeiro sensor no topo da camada 1 ... 44
Figura 32 – Utilização do maço para a compactação ... 45
Figura 33 – Realização do ensaio LFWD sobre a camada 3 ... 45
Figura 34 – Colocação dos sensores na horizontal ... 46
Figura 35 – Ensaios de carga: a) CBR in situ; b) ensaio de carga com placa ... 46
Figura 36 – Amostras de solo para obtenção dos teores de água ... 46
Figura 37 – Reforço da caixa para o ensaio de compactação intermédia ... 47
Figura 38 – Ensaios de carga: a) CBR in situ; b) carga com placa; c) CBR dinâmico .. 47
Figura 39 – Utilização do voluminímetro... 48
Figura 40 – Reforço da caixa ... 48
Figura 41 – Utilização do gamadensímetro: a) colocação da placa no solo; b) imagem do aparelho utilizado; c) realização do ensaio ... 49
Figura 42 – Curva granulométrica do solo ... 52
Figura 43 – Curva de compactação ... 53
Figura 44 – Resultados do ensaio de CBR – Vibrocompactação ... 55
Figura 45 – Resultados do ensaio de CBR – Compactador automático ... 55
Figura 46 – Evolução LFWD na compactação de baixo nível ... 57
xv
Figura 48 – Evolução LFWD na compactação de nível mais alto ... 58
Figura 49 – Evolução do módulo de deformabilidade (Evd) como aumento do grau de compactação ... 59
Figura 50 – Resultados do LFWD das diferentes camadas dos diferentes graus de compactação ... 59
Figura 51 – Relação Carga – Deslocamento para o nível de compactação intermédio ... 60
Figura 52 – Resultado do ensaio de carga com placa – nível de compactação baixo .... 61
Figura 53 – Resultado do ensaio de carga com placa – nível de compactação intermédio ... 61
Figura 54 – Resultado do ensaio de carga com placa – nível de compactação alto ... 61
Figura 55 – Gráfico do ensaio CBR – nível de compactação mais baixo ... 63
Figura 56 – Gráfico do ensaio CBR – nível de compactação intermédio ... 63
Figura 57 – Gráfico do ensaio CBR – nível de compactação mais alto ... 64
Figura 58 – Gráfico do ensaio CBR dinâmico – compactação intermédia ... 66
Figura 59 – Gráfico do ensaio CBR dinâmico – compactação alta ... 66
Figura 60 – Gráfico de evolução do CBR dinâmico vs aumento da compactação ... 67
Figura 61 – Valores de módulo de deformabilidade estimados para todos os métodos ... 68
Figura 62 – Comparações entre ensaios: a) LFWD vs Ensaio de Carga com Placa; b) LFWD vs CBR ... 68
Figura 63 – Comparações entre ensaios: a) CBR dinâmico vs Ensaio de Carga com Placa; b) Ensaio de Carga com Placa vs CBR ... 69
Figura 64 – Comparação entre ensaios: LFWD vs CBR dinâmico ... 69
Figura 65 – Comparação entre ensaios: CBR dinâmico vs CBR estático ... 69
Figura 66 – Valores percentuais de voltagem medida nos sensores no nível de compactação mais baixo ... 72
Figura 67 – Valores percentuais de voltagem medida nos sensores no nível de compactação mais alto ... 72
xvii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Resultados dos ensaios com azul-de-metileno ... 51
Tabela 2 – Resultados do ensaio granulométrico ... 52
Tabela 3 – Percentagem de finos do solo ... 52
Tabela 4 – Resultados do ensaio de equivalente de areia ... 53
Tabela 5 – Ensaio CBR com vibrocompactação ... 54
Tabela 6 – Ensaio CBR com compactador automático ... 54
Tabela 7 – Evolução dos valores de Evd e sm consoante a camada (nível de compactação mais baixo) ... 56
Tabela 8 – Evolução dos valores de Evd e sm consoante a camada (nível de compactação intermédio) ... 57
Tabela 9 – Evolução dos valores de Evd e sm consoante a camada (nível de compactação mais alto)... 58
Tabela 10 – Módulos de elasticidade – Ensaio de carga com placa ... 62
Tabela 11 – Resultados do ensaio CBR – nível de compactação mais baixo ... 63
Tabela 12 – Resultados do ensaio CBR – nível de compactação intermédio... 64
Tabela 13 – Resultados do ensaio CBR – nível de compactação mais alto ... 64
Tabela 14 – Comparação dos valores de CBR entre os diferentes níveis de compactação ... 64
Tabela 15 – Resultados do CBR dinâmico – nível de compactação mais baixo ... 65
Tabela 16 – Resultados do CBR dinâmico – nível de compactação intermédio ... 66
Tabela 17 – Resultados do CBR dinâmico – nível de compactação mais alto ... 67
Tabela 18 – Resultados dos ensaios com o voluminímetro ... 70
Tabela 19 – Resultados do Gamadensímetro ... 71
Tabela 20 – Comparação entre os resultados do gamadensímetro e do voluminímetro... 71
1
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INTRODUÇÃO
1.1
Enquadramento temático
Sabe-se que as caraterísticas da fundação têm uma influência significativa no comportamento dos pavimentos e por consequência no seu dimensionamento.
Pelo “Manual de concepção de pavimentos para a rede rodoviária nacional”, vulgarmente conhecido como MACOPAV (JAE, 1995), depois de conhecido o tráfego em geral e as condições climáticas, parte-se para o capítulo da “Fundação do Pavimento”, onde se definem as classes de fundação e classes de terrenos de fundação.
As classes de fundação estão diretamente relacionadas com o módulo de deformabilidade. Já as classes de terrenos de fundação, dependem do CBR para as condições mais desfavoráveis previsíveis em obra e após a entrada em serviço (JAE, 1995).
Para a definição destas classes, o MACOPAV baseia-se na Classificação Unificada de Solos, presente na especificação ASTM D 2487. O MACOPAV usa as classes de fundação para estimar o seu módulo de cálculo, que depois é tido em conta para o dimensionamento das diferentes soluções de pavimentação (as espessuras das camadas dependem da classe de fundação e, por consequência, do módulo de cálculo considerado). Apesar disso, o MACOPAV é um manual empírico-mecanicista utilizado no pré-dimensionamento de pavimentos.
Existem ainda outros métodos empírico-mecanicistas de dimensionamento de pavimentos, como o método da Shell ou outros equivalentes, que utilizam programas de cálculo (como o JPav) para determinar o estado de tensão-deformação num sistema multiestratificado. Estes permitem avaliar e prever de que modo o comportamento de um pavimento rodoviário é afetado pelas caraterísticas das camadas subjacentes e consequentemente pelo módulo de deformabilidade do solo de fundação.
Com a necessidade de se prever o módulo de deformabilidade tendo em conta o conhecimento do valor de CBR (California Bearing Ratio), foram realizados testes onde se relacionavam estes dois parâmetros. Inicialmente foi proposta a fórmula da Equação (1), mais simplificada e mais tarde em 1984, surgiu a Equação (2). Ambas são bastantes
2
utilizadas para a obtenção do módulo de deformabilidade de um solo de fundação, sendo a segunda a mais precisa.
Esf≃ 10,35×CBR (Heukelom e Klomp, 1962) (1) e
Esf=17,6×CBR0,64 (Powell et al., 1984) (2) Contudo, todas estas fórmulas têm por base o valor de CBR, sendo que as mesmas também têm por base a experiência e os ensaios em laboratório. Com isto, acaba por não se ter uma real noção da capacidade de carga ou módulo de deformabilidade real do solo de fundação, uma vez que o valor de CBR resulta de ensaiar um solo em laboratório em determinadas condições.
As condições acima referidas, são um pouco diferentes da realidade, uma vez que é bastante difícil simular em laboratório, a compactação real do solo de fundação de escavação em estudo e as condições de fronteira. No caso de solo solos de aterro é difícil de simular a compactação desejada.
Atualmente, existem vários métodos para avaliação do módulo de deformabilidade in situ, nomeadamente, o Defletómetro de Impacto Ligeiro (Light Falling Weight Deflectometer, LFWD), o Defletómetro de Impacto (Falling Weight Deflectometer, FWD) - através de um procedimento de análise inversa e o ensaio de carga com placa. Para além desses, também pode realizar-se o ensaio de carga com placa ou o ensaio de CBR in situ. Neste último, o resultado obtido não é o módulo de deformabilidade, mas é possível obter este valor através da Equação (2).
De acordo com a bibliografia foram realizados alguns trabalhos que tentam relacionar os resultados obtidos por diferentes ensaios. Mas nunca relacionam o LFWD, ensaio de carga com placa, CBR in situ e CBR dinâmico.
Num estudo realizado por Morais e Minhoto (2014) fez-se a comparação entre os valores de módulo de deformabilidade obtidos com o ensaio de carga com placa e os valores de CBR, onde se chegou a uma relação diferente à proposta pela Shell. Deste estudo de sensibilidade concluiu-se também que o desempenho duma estrutura de pavimento,
3
expresso pelo número de eixos padrão admissíveis acumulados, NAEP80, até à ruína do pavimento, é consideravelmente condicionado pela capacidade de suporte da fundação. Existe também um trabalho realizado por Elhakim et al. (2014) em que é usado o Light Falling Weight Deflectometer onde estes referem ainda que é possível controlar o grau de compactação de uma areia. Nesse trabalho foi proposta uma fórmula para o módulo de deformabilidade do LFWD (Equação (3)).
ELFWD = (1.5×R×σ)/s (3)
onde R é o raio do prato, σ a tensão por baixo do prato e s traduz o assentamento médio do prato carregado.
Guzzarlapudi et al. (2016) comparam o módulo de deformabilidade de um pavimento rodoviário com pouco tráfego utilizando a viga de Benkelman e o LFWD. Os resultados dos testes e as análises dos módulos da fundação de dispositivos estáticos e dinâmicos ilustram que os módulos estáticos da fundação estimados a partir do ensaio com a viga de Benkelman são inferiores aos módulos dinâmicos estimados a partir de LFWD. Asli et al. (2012) afirmam que, embora o ensaio com LFWD seja de natureza dinâmica, o modelo elastostático, baseado na teoria de Boussinesq, é usado no procedimento de cálculo inverso. Portanto, para uma carga distribuída numa área circular da superfície livre de um semi-espaço elástico homogéneo, isotrópico e linear, o módulo de deformabilidade pode ser obtido pela seguinte fórmula de cálculo (Equação (4)):
𝐸 =(1 − 𝜈 2) × 𝑘
𝛽 × 𝑎 (4)
onde “ν” é o coeficiente de Poisson, “a” é o raio do prato do mesmo ensaio, “β” é um fator de forma que vai depender da distribuição das tensões sobre o prato e “k” representa a rigidez elástica.
Na dissertação de Magalhães (2015) utilizou-se um conjunto de equipamentos de ensaio, como o FWD, o LFWD e a viga de Benkelman para avaliar a capacidade de carga e deflexões de diferentes tipos de pavimentos. Nesse trabalho apresenta-se apenas uma relação do módulo de deformabilidade com o FWD baseada em Thom (2003), tendo sido concluído que o LFWD não deve ser aplicado a camadas ligadas.
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Assim, com base na análise dos trabalhos referidos, não foi possível fazer uma comparação direta dos resultados obtidos com o LFWD, ensaio de carga com placa, CBR in situ e CBR dinâmico que permita, por exemplo, obter módulos de deformabilidade a partir da relação entre eles. Desta forma, conclui-se que é necessário aprofundar o estudo da utilização destes métodos de ensaio, cujas correlações e consequentes resultados carecem ainda de reconhecimento inequívoco pela comunidade científica.
1.2
Objetivos
O estudo destas soluções de pavimentos rodoviários baseia-se no conhecimento da capacidade de carga da sua fundação. No entanto, nem sempre existe a possibilidade de realizar uma caraterização in situ desta capacidade de carga, obter o seu módulo de deformabilidade e consequentemente os módulos de deformabilidade das camadas sobrejacentes. Ainda assim, nos casos em que existe essa possibilidade, podem ser usados métodos mais precisos, mas exaustivos e morosos ou métodos mais rápidos e simples, mas cujos resultados estão ainda por clarificar, como é o caso do defletómetro de impacto ligeiro (Light Falling Weight Deflectometer, LFWD).
No caso do defletómetro de impacto ligeiro, este tem vindo a ser cada vez mais utilizado na medição da capacidade de carga solos de fundação (módulo de deformabilidade). No entanto, não se conhecem ainda trabalhos que avaliem a correlação dos seus resultados com os obtidos por métodos mais antigos de medição da capacidade de carga solos de fundação.
Esta dissertação concentra-se no estudo e comparação de métodos de avaliação da capacidade de carga de solos de fundação de pavimentos rodoviários. Faz-se uma comparação entre o ensaio de carga com placa, o defletómetro de impacto ligeiro, o ensaio de CBR in situ (California Bearing Ratio) e CBR dinâmico (um ensaio ainda pouco conhecido e desenvolvido, mas com algum interesse devido à sua rápida aplicabilidade).
1.3
Conteúdo da dissertação
No Capítulo 1 faz-se um enquadramento temático, apresentam-se os objetivos do trabalho e a organização da dissertação.
No Capítulo 2 é descrita uma revisão bibliográfica onde se aborda a história dos pavimentos e sua evolução, os principais métodos de dimensionamento de pavimentos, e
5
se mostra a influência que o solo de fundação exerce num pavimento, referindo os diferentes ensaios para obtenção da capacidade de carga de um solo de fundação.
No Capítulo 3 apresenta-se o caso de estudo e as metodologias adotadas. Aqui é feita a justificação para escolha do tipo de solo utilizado, demonstram-se os ensaios de caracterização geotécnica realizados, faz-se a descrição dos ensaios “in situ” e apresentam-se os materiais utilizados neste processo.
No Capítulo 4 é realizada a análise dos resultados dos ensaios de caracterização geotécnica e dos ensaios realizados “in situ”.
No Capítulo 5 apresenta-se as considerações finais acerca dos resultados e as perspetivas de trabalhos futuros.
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REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1
Evolução histórica dos pavimentos
Sabe-se que no final dos anos 3000 a.C., as grandes cidades do Egito e Iraque, chegaram a uma altura da sua evolução onde os pavimentos começaram a ser necessários. Estes pavimentos eram essencialmente compostos por lajes de pedra que assentavam em amontoados de pedras de diferentes dimensões, considerando-se pavimentos excelentes e de longa duração e, permitindo o tráfego de pessoas, burros, camelos, pequenos carrinhos de mão e ainda carruagens já no final dos anos 2000 a.C (Thom, 2008).
Já no século XX, até cerca dos anos 50, os pavimentos adotados em Portugal eram formados por camadas granulares, do tipo macadame hidráulico, nas estradas com volumes de tráfego menos significativo. As estradas de tráfego mais elevado eram constituídas por camadas granulares aglutinadas por penetração ou semipenetração betuminosa, cobertas por revestimentos superficiais. A par destas soluções, as calçadas de paralelepípedos e cubos de granitos ou basalto, eram em geral muito utilizadas (Picado Santos e Pereira, 2009).
Só depois dos anos 60 é que se assiste à evolução dos pavimentos que se conhecem atualmente. Esta evolução deve-se à progressivamente crescente evolução do tráfego (Picado Santos e Pereira, 2009).
Durante muitas décadas a rede rodoviária nacional constituiu um fator de estrangulamento do desenvolvimento do país, apesar da sua relativamente grande extensão, tendo em conta as suas modestas caraterísticas geométricas e uma quase generalizada deficiente qualidade (Pereira e Santos, 2002).
Segundo Peralta et al. (2009) o transporte de pessoas e mercadorias constitui uma atividade fundamental para o desenvolvimento socioeconómico de um país e segundo Pereira e Santos (2002), as vias de comunicação e, em particular, a rede rodoviária, assim como o transporte de pessoas constituem a infraestrutura fundamental para o desenvolvimento global de qualquer país.
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2.2
Constituição e dimensionamento de pavimentos rodoviários
2.2.1 Constituição de um pavimento rodoviário
Um pavimento rodoviário é uma estrutura de múltiplas camadas de espessuras finitas, construída sobre a superfície final de terraplanagem, o que normalmente se denomina de fundação. O pavimento tem como função, resistir técnica e economicamente aos esforços do tráfego e do clima, e proporcionar aos utentes das vias condições de conforto, segurança e economia (Bernucci et al., 2007).
Os pavimentos betuminosos flexíveis são aqueles em que as camadas superiores são compostas por uma mistura constituída basicamente por agregados e ligantes betuminosos. São formados por quatro camadas principais: camada betuminosa, base granular, sub-base granular e fundação (Bernucci et al., 2007). A camada betuminosa pode-se subdividir em camada de desgaste e camadas de ligação. Na Figura 1 pode-se ver a constituição de um pavimento flexível.
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Os pavimentos rígidos têm uma importância reduzida em Portugal, uma vez que, segundo Rodrigues (2011) são diminutos os casos em que se verifica a sua existência e também porque a entrada em Portugal dos fundos monetários da União Europeia a partir de 1986, associada à baixa do preço do petróleo para níveis históricos, levou a que a escolha por pavimentos flexíveis para autoestradas fosse preferida relativamente aos pavimentos em betão.
Nas estradas mais importantes a conceção dos pavimentos baseia-se nos seguintes objetivos (Picado Santos e Pereira, 2009):
• Por um lado, tem-se um conjunto de camadas que assegura o necessário comportamento estrutural com melhorias na realização da fundação quer na qualidade dos materiais, quer nos cuidados de drenagem; recurso a camadas granulares de alta qualidade; recurso a camadas de misturas betuminosas com maior rigidez e maior resistência à fadiga;
• Por outro lado, existe uma camada que assegura as condições de segurança e funcionalidade: visando reduzir a água no pavimento ou aumentando a macrotextura.
De acordo com Picado Santos e Pereira (2009), o dimensionamento de pavimentos é maioritariamente realizado através do método da Shell, adotando para a caraterização da fundação e do tráfego solicitante as indicações do MACOPAV da JAE (atualmente IP – Infraestruturas de Portugal).
Segundo a JAE (1995) o objetivo do MACOPAV é o de apoiar e orientar a conceção das estruturas de pavimentos rodoviárias incluídas no Plano Rodoviário Nacional. Assim, para definir uma estrutura de pavimento torna-se necessário dispor de dados relativos a: tráfego; condições climáticas; condições de fundação; materiais de pavimentação (JAE, 1995).
De seguida são apresentados cronologicamente diferentes métodos de dimensionamento de pavimentos rodoviários utilizados nacional e internacionalmente. O interesse desta demonstração é verificar que não só existem diferentes métodos de dimensionamento na Europa como também se tem em conta a fundação como se verificará em alguns deles.
10 2.2.2 Método 1 – Método da Shell (1978)
No manual de dimensionamento de pavimentos proposto por Shell (1978), são apresentadas cinco etapas que pretendem explanar os processos de dimensionamento de um pavimento.
No primeiro momento, é sugerido que se saiba o módulo de deformabilidade da fundação, caso contrário dever-se-á determinar o mesmo através de ensaios de avaliação do CBR e ou módulo de deformabilidade.
Numa segunda etapa, faz-se referência à rigidez da mistura e do próprio betume. Aqui, é necessário determinar a rigidez do betume na mistura, onde é apresentada uma panóplia de ábacos, na sua maioria propostos por Van der Poel. É também necessário calcular a composição volumétrica da mistura e por fim o módulo de rigidez da mistura betuminosa. Na terceira etapa faz-se a análise do critério da fadiga da mistura. Esta etapa divide-se em duas abordagens: a primeira é baseada na interpretação direta das medições da fadiga; a segunda abordagem é baseada nas mesmas medições, mas interpretadas pelo conceito da energia dissipada. Ainda nessa etapa, faz-se a correlação entre os ensaios de fadiga em laboratório e a prática, bem como a determinação da posição da tensão máxima nas camadas betuminosas do pavimento.
Numa quarta etapa, salienta-se o ensaio de deformação permanente (também conhecido como ensaio de fluência), o qual apresenta como objetivo determinar as propriedades da mistura em quantidades independentes das variáveis externas (condições gerais de tensão e a temperatura). Esta etapa aborda também a relação entre a rigidez da mistura e a rigidez do betume, assim como o procedimento do ensaio de deformação permanente. Por último, é discutida a exatidão do ensaio, com referência específica à preparação da amostra. A etapa 5 centra-se na avaliação do pavimento, afirmando a necessidade de um método preciso, confiável e simples, capaz de fornecer os dados técnicos necessários para os sistemas de manutenção de pavimentos ou planeamento da conservação. Assim, inclui um breve resumo dos princípios a considerar, fazendo referência a diferentes métodos, nomeadamente o FWD. Finalmente, este capítulo expõe o procedimento de avaliação, bem como o dimensionamento das camadas e a avaliação com equipamento vibratório.
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O módulo da fundação deve ser preferencialmente determinado in situ através de medições de deflexões dinâmicas ou medições de propagação de ondas, sempre com cargas representativas do tráfego real.
Em casos onde não se dispõe de dados, é conveniente usar uma relação empírica (Equação (5)) entre o valor do California Bearing Ratio (CBR) e o módulo dinâmico da fundação: E=107×CBR (N/m2) (5) Os valores de CBR são determinados quando as deformações são consideráveis, enquanto o módulo elástico dinâmico é derivado de medições realizadas a partir de pequenas deformações e frequências relativamente elevadas. Contudo, não há uma relação direta entre os dois, mas a relação empírica promove uma estimativa do módulo de materiais não ligados (como é o caso do solo), quando não há qualquer dado proveniente de qualquer outro método (Shell, 1978).
Apresenta-se na Figura 2 o resultado de um ensaio realizado por Shell (1978) onde se compara o CBR com o módulo de deformabilidade de solos.
Figura 2 – Módulo de deformabilidade da fundação e camadas granulares vs CBR (adaptado de Shell, 1978)
12 2.2.3 Método 2 – Método de Nottingham (1985)
Este trabalho descreve um procedimento analítico prático e implementável para o dimensionamento de pavimentos flexíveis. Este método envolve o uso de conhecimentos existentes acerca das propriedades mecânicas dos materiais, juntamente com dados laboratoriais e do local.
Tendo em conta que as principais camadas estruturais do pavimento são betuminosas, neste método foi utilizada a teoria elástica linear, considerando também a temperatura e as cargas de carregamento.
Estudos detalhados acerca do dimensionamento de pavimentos conduziram ao desenvolvimento de critérios de dimensionamento para os modos de ruína conhecidos como rotura por fadiga e por deformação permanente.
Neste método são usadas técnicas de danos cumulativos para avaliar a interação de variações nas cargas do tráfego e na temperatura e de forma a determinar valores de temperatura anuais equivalentes, para o dimensionamento.
Brown et al. (1985) realizaram uma comparação entre os dimensionamentos levados a efeito com este procedimento e os referentes ao Manual de Dimensionamento da Shell, ao Método Road Note No. 29 e ao Método de Dimensionamento TRRL. Foi também efetuada uma breve revisão acerca do Procedimento de Dimensionamento do Asphalt Institute. Esse trabalho indica ainda os benefícios da utilização de materiais novos ou modificados, com propriedades mecânicas melhoradas e que foram desenvolvidos ao longo dessa investigação, os quais podem prolongar o tempo de vida de um pavimento ou reduzir as espessuras das camadas necessárias.
A comparação dos resultados desse estudo com os de outros métodos de dimensionamento analíticos demonstra uma concordância razoável com os cálculos do TRRL para o seu pavimento dimensionado para elevado volume de tráfego e espessuras mais elevadas, relativamente aos ábacos de dimensionamento da Shell. Os critérios de dimensionamento utilizados no método do Asphalt Institute estão em concordância, embora existam diferenças na sua aplicação devido às condições ambientais da América do Norte (Brown et al., 1985).
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2.2.4 Método 3 – Dimensionamento através do MACOPAV (1995)
Uma vez que o comportamento das misturas betuminosas aplicadas nas camadas superiores dos pavimentos flexíveis é influenciado pelas condições climatéricas, nomeadamente, pela temperatura de serviço, no MACOPAV é disponibilizado um mapa onde, consoante a zona do país, se define a temperatura máxima no período de estival (Figura 3) que associada à classe de tráfego, permite escolher o tipo de betume a utilizar.
Figura 3 – Divisão do país por zonas, consoante as temperaturas máximas do período estival (JAE, 1995)
Tendo em conta que a fundação e, em geral os terrenos subjacentes ao pavimento, condicionam o comportamento do mesmo, o MACOPAV disponibiliza intervalos de módulos de fundação aceitáveis para diferentes classes de tráfego e ao mesmo tempo elucida como se deve proceder ao melhoramento do solo, caso este não apresente módulos de deformabilidade aceitáveis. É de notar que todo o dimensionamento parte do conhecimento do solo de fundação.
De seguida tratam-se os materiais de pavimentação, começando pelos materiais granulares, onde se definem as principais caraterísticas (granulometria, dimensão máxima, equivalente de areia mínimo, índice de plasticidade e liquidez, CBR). Quanto às caraterísticas de deformabilidade dos materiais granulares, todos dependem da fundação e suas caraterísticas, sendo que os módulos de deformabilidade das camadas granulares são determinados multiplicando um fator de conversão pelo módulo da camada inferior.
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Ainda no capítulo dos materiais de pavimentação, é disponibilizada uma tabela que trata as tipologias e caraterísticas principais para determinada camada betuminosa. Nas caraterísticas explica, para cada camada, em que intervalos se devem manter os teores de betume, porosidade, espessuras e evidencia a dimensão máxima do agregado.
No capítulo onde se faz referência às estruturas dos pavimentos, são apresentados diferentes modelos de pré-seleção, para que com a ajuda do JPav e o próprio sentido crítico se consiga obter o modelo do pavimento final. Aqui é necessário ter todos os capítulos anteriores bem definidos.
2.2.5 Método 4 – Método do TRL (2004)
Segundo Nunn (2004), o dimensionamento de pavimentos no Reino Unido envolvia o uso de um número limitado de materiais, com uma variedade limitada de opções de dimensionamento. Assim, seria necessário aumentar a versatilidade deste método, de modo a proporcionar ao engenheiro rodoviário uma ampla variedade de opções de configuração de dimensionamento e de materiais. Esta versatilidade aumentada permitiria dimensionamentos mais económicos, ao possibilitar a utilização de novos materiais, nomeadamente materiais reciclados e uma maior variedade de agregados secundários e ligantes. Possibilitaria ainda fundações mais fortes, incorporando ligantes hidráulicos, para serem utilizados com reduções a nível de espessura das camadas de revestimento mais dispendiosas. Este estudo descreve as modificações no método de dimensionamento TRL anterior, de modo a melhorar a sua versatilidade.
A seguir apresentam-se as características principais deste método:
• Foi desenvolvido um procedimento de cálculo mais simples para o dimensionamento de pavimentos semirrígidos, que não envolve o cálculo de tensões devidas à temperatura.
• O método de dimensionamento analítico atual para pavimentos flexíveis foi alterado, assim como o método de dimensionamento de pavimentos semirrígidos, de modo a tornar estes métodos mais compatíveis.
• As classes de rigidez das fundações foram definidas e os métodos de dimensionamento revistos permitindo reduções nas camadas de revestimento mais dispendiosas, se forem utilizadas fundações mais rígidas.
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• Os métodos envolvem materiais cujas propriedades correspondem a uma idade de cura de 360 dias.
• Pode ser incluída uma variedade mais ampla de ligantes hidráulicos e os fatores de ajuste (KHyd e KSafety) podem ser determinados, tendo em consideração as características dos materiais e os riscos.
• Um novo critério de dimensionamento foi definido para pavimentos flexíveis, o que limita a quantidade de flexão da base da camada betuminosa.
• A aplicação dos fatores de ajuste recomendados neste estudo proporcionará dimensionamentos de pavimentos com materiais tradicionais, que estão próximos dos dimensionamentos atuais fornecidos no Manual de Dimensionamento de Estradas e Pontes (Design Manual for Roads and Bridges).
• Inicialmente, esta abordagem mais versátil poderia ser adotada utilizando o módulo de elasticidade dinâmico e resistência à flexão, para caracterizar ligantes hidráulicos. A longo prazo, o módulo de elasticidade estático e resistência à tração deveriam ser introduzidos para ser compatíveis com novas normas europeias. • É necessário um programa de testes para desenvolver conhecimentos mais sólidos
acerca do comportamento de cura dos ligantes hidráulicos e de modo a possibilitar o desenvolvimento de fatores indicativos que fazem a ligação entre as propriedades dos materiais no seu início de vida com os valores de dimensionamento a longo prazo (360 dias).
2.2.6 Método 5 – Método de Dresden (2005)
Vários projetos de investigação realizados no âmbito da unidade curricular de Engenharia de Pavimentos da Universidade de Tecnologia de Dresden visam o desenvolvimento de um método de dimensionamento analítico para prever a tensão e deformação de um pavimento ou para calcular o restante ciclo de vida da estrutura do pavimento (Jähnig et al., 2005).
O modelo de dimensionamento desenvolvido é baseado na ideia fundamental de poder escolher livremente qualquer construção possível (pavimento flexível). Para além disso, o modelo de dimensionamento visa a otimização da construção do pavimento, considerando a carga de tráfego e fatores induzidos pelo clima. Ao utilizar diferentes materiais, a espessura particular de cada camada é otimizada com base nos parâmetros de dimensionamento (neste caso rotura por fadiga e deformação permanente).
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Com o método desenvolvido, é possível calcular os níveis de segurança de camadas de pavimentos flexíveis (camadas betuminosas e camadas não ligadas), podendo ser avaliadas e comparadas diferentes construções rodoviárias com diferentes espessuras de camada, rigidez e composição de mistura. Este método permite averiguar a possibilidade de construções alternativas, com o mesmo nível de segurança (Jähnig et al., 2005).
2.3
Influência do solo de fundação num pavimento rodoviário
O desempenho dum pavimento rodoviário flexível ao longo da sua vida em serviço depende fundamentalmente do comportamento mecânico das camadas que o constituem, quando sujeitas ao efeito combinado das ações do tráfego e da temperatura. Neste contexto, as propriedades mecânicas das camadas do pavimento, particularmente as propriedades mecânicas do solo de fundação do pavimento, assumem uma importância fundamental naquele desempenho (Morais e Minhoto, 2014).
(Oliveira et al., 2011) referem que o projeto de construção inicial do pavimento é realizado para um determinado período de vida, tendo por base as ações que solicitarão o pavimento ao longo do tempo, assim como as técnicas construtivas e as características da fundação e dos materiais a utilizar. (Marecos et al., 2017) completam que a fundação fornece um suporte ao conjunto do pavimento e assegura uma distribuição efetiva das ações referidas por (Oliveira et al., 2011) provenientes do tráfego em profundidade. Assim, o comportamento adequado do pavimento está diretamente relacionado com a integridade do solo de fundação.
Nos casos em que se está na presença de pavimentos com volume de tráfego reduzido (com camadas mais finas de misturas betuminosas), a fundação é particularmente relevante, uma vez que a magnitude de tensão transmitida pelas cargas aplicadas pelo tráfego pode ser significativa ao nível da fundação. Além disso, a fundação é mais sensível a variações das condições ambientais. Com isto, sabe-se que uma falha na fundação terá consequências no comportamento global do pavimento (Marecos et al., 2017).
A fundação do pavimento tem um papel importante em termos estruturais, tanto a curto como a longo prazo. A curto prazo, a fundação deve garantir uma superfície regular com capacidade de suporte que viabilize a construção da primeira camada do pavimento com
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as características geométricas e de compactação pretendidas e a circulação do equipamento de obra sem prejuízo durante a fase de construção. A longo prazo, deve garantir a capacidade de suporte necessária para o conveniente funcionamento estrutural do pavimento (Rodrigues, 2015).
A capacidade de suporte da fundação é uma das características mais importantes para o dimensionamento de pavimentos. De facto, essa característica mecânica condiciona as características das camadas granulares que sobre ela vão ser colocadas (Rodrigues, 2015). Luo et al. (2017) referem que entre os inúmeros modelos de comportamento que foram desenvolvidos para camadas não ligadas e fundação, a seleção de um modelo apropriado depende de três critérios:
• O grau de suscetibilidade, que indica como o modelo responde às mudanças nas condições operacionais, incluindo a humidade, calor, tensão provocada pelo tráfego e anisotropia induzida por carga/partículas;
• O grau de precisão, que se refere ao quão perto as previsões feitas por um modelo de camada não ligada/fundação estão dos comportamentos reais desses materiais subjacentes;
• A facilidade de desenvolvimento, o que significa os esforços necessários para desenvolver, validar e testar os modelos de camada não ligada/fundação.
Na construção rodoviária, a camada da fundação deve ser bem dimensionada. É importante que se avalie a capacidade de carga da fundação aquando a fase de dimensionamento e construção. O ensaio CBR é normalmente utilizado para determinar a adequação de um solo como fundação para o dimensionamento e construção de estradas. O ensaio carga com placa é usado para prever as deformações e características de ruína do solo e para obter ainda o módulo de reação (ks). Este módulo de reação é usado no dimensionamento da fundação, estudo de interação entre solo-estrutura e dimensionamento de pavimentos (flexíveis e rígidos) (Putri et al., 2012).
George e Uddin (2000) citam Yoder e Witczak (1975) que dizem que todos os pavimentos dependem do suporte final da fundação. Assim, é essencial um conhecimento sobre a mecânica básica do solo. Já George e Uddin (2000) rematam que caracterizar o material do solo de fundação é crucial quando se está a reabilitar ou dimensionar um pavimento.
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2.4
Ensaios de avaliação da capacidade de carga de um solo
Aqui serão apresentados diferentes ensaios possíveis para se avaliar a capacidade de carga de um solo de fundação (através do valor de CBR ou módulo de deformabilidade). Nas Secções 2.4.1, 2.4.2 e 2.4.5 faz-se referência aos ensaios dinâmicos. Nas Secções 2.4.3 e 2.4.4 podem-se ver os ensaios estáticos (ensaio de carga com placa e CBR in situ respetivamente).
2.4.1 Defletómetro de Impacto
O Defletómetro de Impacto (FWD) é um equipamento que possibilita a aplicação de um carregamento através de uma placa circular na superfície do pavimento a ser estudado. Este equipamento tem sido considerado a nível mundial como uma ferramenta eficaz na medição de deflexões (Magalhães, 2015, Saltan e Terzi, 2008). Consiste num equipamento que geralmente é montado num atrelado de um dado veículo (Machado, 2012).
O FWD é constituído por dispositivos para medição de deflexões, bem como um sistema de cargas. No veículo são instalados dispositivos eletrónicos e um computador, de modo a efetuar o registo dos resultados e o controlo do ensaio. Este aparelho permite também medir as temperaturas através de sensores (Machado, 2012).
Os equipamentos FWD permitem simular o efeito de uma roda em movimento sobre um determinado pavimento, através da queda de massas, de uma dada altura, sobre um sistema de amortecedores que transmitem ao pavimento um pulso de carga com forma similar a uma onda sinusoidal (Magalhães, 2015, Nóbrega, 2003).
De modo a simular de forma mais exata possível um veículo a circular com velocidades entre 60 a 80 Km/h, a força de impulso sofre variações ao longo do tempo (Antunes, 1993, Machado, 2012). O valor de pico e a forma da força de impulso variam conforme a altura da queda, as propriedades do sistema de amortecimento estabelecidas para o ensaio e o peso (Domingos, 2009, Fontul, 2004, Machado, 2012).
Geralmente, são aplicadas cargas entre 6,7 e 156 kN no pavimento, sendo medido o tempo que leva a regressar ao ponto inicial após a deformação, assim como as deflexões do impacto de carga. Normalmente medem-se as deflexões em diversas posições utilizando
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sensores. Os valores de pico que são lidos em cada um dos sensores permitem traçar a bacia de deflexão (Goktepe et al., 2006, Magalhães, 2015).
O diâmetro da placa de ensaio pode variar de 30 a 45 cm, segundo a norma ASTM D 4694-96. Geralmente, a placa com diâmetro de 30 cm é aplicada em pavimentos rodoviários. Já em pavimentos aeroportuários, utiliza-se a placa com 45 cm de diâmetro (Alves, 2007, Magalhães, 2015).
Por outro lado, a temperatura do ensaio assume um importante papel na análise de pavimentos flexíveis, tendo em conta que as deflexões registadas serão menores quanto mais baixa for a temperatura. Uma interpretação correta dos resultados para avaliação do comportamento do pavimento em estudo exige o conhecimento da temperatura do ensaio, na medida em que a força exercida em cada ponto de ensaio não equivale de forma exata à força pretendida. Deste modo, deve-se proceder à normalização dos valores das deflexões para a força que se pretende (Alves, 2007, Magalhães, 2015).
Este método apresenta como vantagens o facto de permitir a medição com precisão da bacia de deflexões dos pavimentos tal como se pode ver na Figura 4 e aplicar a mesma para estimar os módulos de elasticidade das camadas. Assim, possibilita uma análise estrutural apropriada e o cálculo do reforço estrutural, seguindo os princípios da mecânica dos pavimentos e através da técnica designada de análise inversa (Bernucci et al., 2006, Magalhães, 2015).
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Apesar de se poder usar este equipamento nos solos de fundação, Marecos et al. (2017) concluem que o FWD é mais apropriado para avaliação estrutural do pavimento em geral, fornecendo assim informação sobre todos as camadas do mesmo. Como não se fez a avaliação de pavimentos, mas sim da capacidade de carga de um solo de fundação e ainda devido às suas grandes dimensões, optou-se por não se utilizar este método.
2.4.2 Defletómetro de Impacto Ligeiro
O Defletómetro de Impacto Ligeiro (LFWD) é um dispositivo portátil que foi desenvolvido na Alemanha, sendo considerado um defletómetro de impacto mais compacto que o FWD tradicional e cujo objetivo é medir o módulo de deformabilidade dinâmico do solo in situ (Elhakim et al., 2014, Magalhães, 2015). Consiste num ensaio dinâmico de carga com placa, cujo princípio de funcionamento é semelhante ao do FWD, ou seja, a força de impacto é originada através da queda de uma massa padrão sobre um sistema de amortecedores, transmitindo um impulso ao solo através de uma placa de carga (Lopes, 2010, Magalhães, 2015). Assim, embora similar ao FWD, é um equipamento portátil, com um peso aproximado de 15 a 25 kg, sendo que os ensaios com o LFWD podem ser efetuados por apenas uma pessoa, num curto período de tempo (1-2 minutos) (Singh et al., 2010).
Segundo Elhakim et al. (2014), este módulo dinâmico é por vezes utilizado para avaliar o grau de compactação do subsolo, sendo adequado para o controlo da qualidade da compactação do solo que suporta as estradas e aterros. Ao ser aplicado como ensaio dinâmico, este dispositivo é apropriado particularmente para solos de partículas grossas ou misturas de partículas, com um tamanho máximo de 63 mm.
Este dispositivo surgiu como uma alternativa ao FWD convencional, com a capacidade de superar certos obstáculos, nomeadamente a dificuldade de acesso aos pontos de ensaio em estradas em construção (Benedetto et al., 2012, Magalhães, 2015). Neste sentido, o Defletómetro de Impacto Ligeiro pode representar uma mais-valia na análise estrutural de pavimentos, especialmente em situações de obra, na medida em que o seu modo de funcionamento e estrutura permitem a concretização de ensaios sem interferir com os trabalhos em curso. É uma boa ferramenta de avaliação, que permite caracterizar bases granulares ou fundações, podendo ser aplicado na determinação do módulo de deformabilidade dos solos granulares entre 15 e 70/80 MPa (Lopes, 2010).
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Assim como o FWD, possibilita a simulação de diversas condições de carregamento, com os mesmos parâmetros utilizados no FWD, embora de pesos e/ou dimensões diferentes (Machado, 2012). As vantagens deste dispositivo relacionam-se então com a sua facilidade de transporte, com a sua mobilidade e com o facto de permitir a realização de ensaios em zonas de difícil acesso (Lopes, 2010, Magalhães, 2015). Contudo, apresenta desvantagens como a medição de deflexões que, dependendo do modelo utilizado, pode ser realizada até um máximo de três pontos (apesar de serem pontos homogéneos entre si) e o limite de carga máxima aplicável, que não ultrapassa 20 kN (Machado, 2012). Por outro lado, existem alguns fatores externos ao uso do defletómetro que podem afetar a medição da deflexão, nomeadamente (Lopes, 2010, Magalhães, 2015):
• Espessura e posição das camadas;
• Tipo de materiais que formam as camadas; • Fatores ambientais (temperatura e humidade); • Teor em água e compactação dos materiais.
Dentro dos fatores que podem influenciar os resultados, também se encontram os fatores associados ao equipamento (excetuando a utilização indevida do mesmo), tais como (Lopes, 2010):
• Tipo de sistema de amortecedores; • Tempo de retorno dos resultados;
• Contacto da placa de carga e geofone central.
No que respeita ao seu modo de funcionamento, nos modelos que permitem a medição da das deflexões, estas são medidas através de 3 geofones, sendo que um deles se localiza no interior do cilindro, atuando através do furo central da placa de carga. A duração do impulso de carga é de 15 a 30 ms (Govind, 2010, Gudishala, 2004, Machado, 2012, Puppala, 2008).
Os geofones e a célula de carga estão ligados a um dispositivo eletrónico, o qual realiza o registo automático das deflexões, do historial da deflexão central e do respetivo valor de pico, bem como da força aplicada (Fortunato, 2005, Machado, 2012).
De modo a ilustrar melhor todos os componentes do LFWD, apresenta-se na Figura 5 uma imagem de todo o aparelho e ainda do dispositivo eletrónico de medição (onde se
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consegue ver em tempo real os valores retirados do ensaio) como se apresenta na Figura 6.
Figura 5 – Defletómetro de Impacto Ligeiro e respetivas componentes (adaptado de Tawfik e El-Mossallamy, 2017)
Figura 6 – Leitura exemplo de um ensaio com o LWFD (adaptado de HMP, 2014)
Ahmed e Khalid (2011) apresentam uma fórmula (Equação (6)) para o cálculo do módulo de deformabilidade através dos dados que o LFWD retira dos ensaios:
𝐸 =2 × (1 − 𝜈
2) × 𝜎 × 𝑅
𝑑𝑐 (6)
onde C=2, R é o raio da placa, dc é a deflexão ao centro, ν é o coeficiente de Poisson e σ é a tensão aplicada. No fundo esta equação parte da equação de Boussinesq.
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Também Siddiki (2012) refere esta fórmula para a obtenção do módulo de deformabilidade do LFWD.
2.4.3 Ensaio de carga de placa
Segundo Martins (2011), o ensaio de carga com placa tem tido uma utilização cada vez mais frequente no que toca ao controlo da qualidade das camadas granulares de um pavimento ou até mesmo de um solo. Basicamente, este ensaio faz com que se tenha a curva carga-assentamento com o objetivo de avaliar as características de deformação e resistência do solo e determinar o módulo de deformabilidade.
Este é um ensaio dinâmico que, tal como se verifica na Figura 7, consiste em carregar uma placa circular na parte superior da camada a testar e medir deflexões sob incrementos de carga. A carga é transmitida para as placas por um macaco hidráulico, agindo contra o equipamento móvel pesado como força de reação, enquanto a deflexão correspondente é medida (Martins, 2011).
Figura 7 – Ensaio de carga com placa (adaptado de Albernaz, 1997)
Borges (2001) cita Santana et al. (1998) e evidencia que ensaio de carga foi utilizado pela primeira vez na pavimentação em 1948 com o objetivo de avaliar o desempenho das pistas dos aeroportos de Sarnia e Ottawa, no Canadá.
Fazendo a divisão entre a carga aplicada e a área da placa, obtém-se a tensão aplicada. Ao colocar as tensões aplicadas e as respetivas deformações num sistema de eixos cartesianos, obtém-se uma curva que traduz a relação tensão-deformação do material. O valor da tangente à curva, em qualquer um dos seus pontos, é o módulo de deformabilidade do material. No caso da maioria dos solos, a curva tensão-deformação não apresenta trecho significativamente retilíneo sendo, portanto, os materiais com estas caraterísticas chamados de elásticos não lineares (Albernaz, 1997).
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Ainda segundo Martins (2011) existem duas normas que se usam regularmente e em que se baseia este ensaio: AFNOR NF P94–117–1 e DIN 18134.
A primeira norma propõe a Equação (7) para o cálculo do módulo de deformabilidade:
𝐸𝑣2= ( 𝜋
2) × (1 − 𝜈2) × (𝜎 × 𝑟)
𝑧2 (7)
onde Ev2 é o módulo a medir, ν é o coeficiente de Poisson, σ é a tensão debaixo da placa, r é o raio da placa e z2 é o assentamento provocado no segundo ciclo de carregamento, tal como exemplifica a Figura 8.
Figura 8 – Gráfico de carregamento do ensaio de placa (adaptado de AFNOR, 2000)
Já a segunda norma utiliza a Equação (8):
𝐸𝑣2= (1,5 × 𝑟) (𝑎1+ 𝑎2 × 𝜎0𝑚á𝑥)
(8) onde Ev2 é o módulo a medir, r é o raio da placa, σ0máx é o valor máximo da tensão média, a1 e a2 são fatores de suavidade da curva carga-assentamento.
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Contudo, nos ensaios de placa efetuados, ter-se-á por base a norma NF P 94-117-1 de AFNOR (2000) (Equação (9)), onde especifica como se efetua a medição do módulo de deformabilidade de um solo ao carregamento de uma carga estática sobre uma placa.
𝐸𝑣2= (𝜋
4) × (1 − 𝜈
2) × (𝑝 × 𝑑
𝑧2 ) (9)
Onde ν é o coeficiente de Poisson, p é a pressão média sobre a placa e d o diâmetro da placa (30 cm). z2 é igual à subtração de z0 a z1. Para se obter estes z1 e z0 utilizam-se os gráficos semelhantes ao da Figura 8.
Segundo Magalhães (2015), “um dos maiores problemas deste método é que é bastante moroso, pelo que não permite a realização de um elevado número ensaios por dia, o que leva a que este ensaio seja pouco eficiente na sua execução. Por esse motivo desenvolveram-se novos métodos, com o objetivo de acelerar o processo de caraterização de solos, mas principalmente de pavimentos, onde é necessário que se executem os ensaios o mais rapidamente possível de forma a aumentar a frequência dos mesmos, acelerando assim todo o processo de caracterização das estruturas de pavimentos”. 2.4.4 Ensaio de CBR
No passado ou até mesmo no presente, a maioria das construtoras de autoestradas usaram o California Bearing Ratio (CBR) para caracterizar as fundações aquando o dimensionamento de pavimentos de modo a obter o módulo de deformabilidade. Contudo, o CBR é uma propriedade estática que não pode ser considerada para a verdadeira resposta que a fundação apresenta aquando sujeitas a cargas dinâmicas como os veículos em movimento Kim e Kim (2007) citam Mohammad et al. (1998).
Ainda assim, este ensaio continua a ser utilizado e segundo Rahimzadeh et al. (2014) que citam Brown (1996), o dimensionamento da fundação de pavimentos tem como princípio base o uso do CBR para caracterizar a fundação e as camadas granulares. Aqui o CBR é usado como uma medida de força e rigidez do material. Apesar de este ter sido correlacionado com o desempenho do pavimento em muitos países ao longo dos anos e ter sido um indicador empírico de confiança do comportamento do material, o uso do California Bearing Ratio como um parâmetro de desempenho é bastante reconhecido como não sendo totalmente satisfatório.
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O ensaio de CBR in situ é ainda usado em muitos países, apesar do seu caráter empírico e da sua relação com o desempenho do material ser questionável. Ensaios de índice, como CBR e o dynamic penetration tests (DPT) ou dynamic cone penetrometers (DCP), são normalmente usados como ferramentas de controlo e classificação, sendo os seus resultados relacionados com o conhecimento empírico (Gomes Correia, 2008).
Convém dizer que os engenheiros geotécnicos e de pavimentos reconheceram que, se um método simples for desenvolvido para modelar a rigidez das camadas granulares de um pavimento, isso poderá levar a uma melhoria significativa na teoria por detrás do projeto de dimensionamento da fundação. Contudo, identificar um método de baixo custo que pode ser implementado in situ e em laboratório, pode ser muito difícil. A “Highways Agency’s Interim Advice Note 73/06” (IAN 73) foi lançada com o pressuposto que o FWD e LFWD podem desempenhar esse papel (in situ e laboratório) mas obriga ao conhecimento do CBR da fundação como uma medida de dimensionamento e avaliação (Fleming et al., 2008).
Guzzarlapudi et al. (2016) apresentam a relação entre o CBR e o módulo de deformabilidade proposta por IRC (2012) (Equação (10)):
𝑀𝑟 = {17.6 × (𝐶𝐵𝑅)10 × 𝐶𝐵𝑅 𝑠𝑒 𝐶𝐵𝑅 = 50.64 𝑠𝑒 𝐶𝐵𝑅 > 5 (10)
Já Putri et al. (2012) apresentam as seguintes correlações propostas por NAASRA (1950) (Equação (11)):
𝐸 = {16.2 × (𝐶𝐵𝑅)
0.7 𝑠𝑒 𝐶𝐵𝑅 < 5
22.4 × (𝐶𝐵𝑅)0.5 𝑠𝑒 𝐶𝐵𝑅 > 5 (11) Para demonstrar o quão importante é o bom conhecimento do CBR de um solo de fundação, apresentam-se na Figura 9 os resultados de um estudo de Morais e Minhoto (2014) onde estes concluiram que o NAEP80 depende em muito do CBR, quanto maior for o CBR maior será o NAEP80. Assim sendo, não só se pode prevenir a rotura antes do tempo como também se pode evitar o sobredimensionamento, promovendo uma melhor otimização de custos.
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Figura 9 – Variação da vida dos pavimentos em função da capacidade de suporte do solo de fundação (adaptado de Morais e Minhoto, 2014)
2.4.5 CBR dinâmico
Segundo TIC (2017), uma empresa de produção de equipamentos geotécnicos, o valor obtido do ensaio de CBR dinâmico (conhecido na literatura Anglo-saxónica como “dynamic CBR”) é um coeficiente de rigidez complexo que depende de um conjunto de fatores: a: rigidez, a forma do agregado, a resistência ao congelamento, a composição do agregado, o conteúdo de finos, o teor de água e a compactação da mistura. O valor do CBR dinâmico é calculado pela seguinte Equação (12).
𝐶𝐵𝑅𝑑 = 24,26 × 𝑝
𝑠0,59 % (12)
onde s é o assentamento médio (mm) e p é a pressão de pico (N/mm2). Assumindo que a carga de pico é 7070 N e o diâmetro do CBR é 50 mm (área 1963 mm2), então p é 3,6 N/mm2. Assim, essa expressão pode ser escrita da seguinte forma (Equação (13)):
𝐶𝐵𝑅𝑑 = 87,3
𝑠0,59% (13)
Devido à falta de investigação deste método de ensaio, torna-se interessante utilizá-lo neste trabalho de modo a dar um possível contributo à comunidade científica.
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CASO DE ESTUDO E METODOLOGIAS UTILIZADAS
3.1
Seleção do local de estudo
Para a realização da parte prática deste trabalho poder-se-ia utilizar duas abordagens distintas: (i) escolha de um conjunto de locais nas imediações da Universidade, cujo solo tivesse características diferentes (em relação à sua constituição, compacidade, teor em água, etc.); (ii) escolha de um solo representativo da região e realizar ensaios em condições controladas em laboratório. Ambas as hipóteses tinham vantagens e desvantagens, conforme se apresenta de seguida.
A primeira opção permitiria o conhecimento dos módulos de deformabilidade de diferentes tipos de solos nas suas condições naturais (baridade e teor em água). Contudo, essa opção traria múltiplos constrangimentos ao nível da logística e da necessidade de uma caracterização complementar dos solos muito exigente, para ser possível obter resultados precisos. Em primeiro lugar, seria muito difícil executar o ensaio de CBR in situ, uma vez que este precisa de um veículo pesado para servir de reação à aplicação da carga vertical sobre o solo. Depois, havia a questão do desconhecimento das caraterísticas do solo, bem como da possibilidade de existirem variações das suas características em profundidade (a existência de rochas de dimensões consideráveis a alguma profundidade iria alterar significativamente os resultados).
A segunda opção tinha como dificuldades principais a necessidade de obter um solo representativo da região em quantidade suficiente para a realização dos ensaios, bem como a construção de uma caixa, onde o solo seria compactado em condições controladas. A execução da compactação do solo seria também uma tarefa bastante exigente, uma vez que seria necessário repetir a mesma sempre que se quisesse variar um dos parâmetros relacionados com a condição do solo (baridade ou teor em água).
Por outro lado, esta opção traria um leque de vantagens que promoveriam resultados mais precisos e mais fáceis de obter. Em primeiro lugar, a caixa de madeira permitiria um melhor controlo de todas as fases de execução dos trabalhos, incluindo a colocação de um conjunto de sensores em diferentes posições que seriam depois usados para medir o efeito da aplicação das cargas durante os ensaios, algo impossível de se fazer no terreno (1ª opção). Depois, com a opção da caixa seria possível controlar o teor em água, a massa
