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Comportamento Defletométrico de Pavimento Reforçado com
Geogrelha.
Lidia Pacheco Miranda
PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected]
Michéle Dal Toé Casagrande
PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected]
Laura Maria Goretti da Motta
UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected]
RESUMO: A presente pesquisa pretende demostrar que a utilização de um tipo de geossintéticos
como material de reforço pode ser benéfico para melhorar as condições estruturais do pavimento,
assim também que uma avaliação baseada na medição das deflexões ocorridas no pavimento se
converte numa ferramenta aceitável para os estudos do estado situacional do pavimento.
O trabalho consistiu na análise do comportamento mecânico de um pavimento experimental, com a
inserção de geogrelha como material de reforço da camada de base. O pavimento experimental foi
desenvolvido em um modelo físico de concreto armado de verdadeira grandeza no qual foi
conformado o subleito de 100 cm de espessura e uma camada de base de brita de 20 cm de
espessura, compactados na sua umidade ótima, toda a superfície desta unidade foi protegida com
uma emulsão asfáltica com a finalidade de conservar a umidade de compactação.
A estrutura antes descrita foi submetida à aplicação de carregamento por impacto e à variação de
umidade do material do subleito. O equipamento utilizado foi do tipo deflectometro de impacto para
cargas baixas denominado LWD (Light Weight Deflectometer). Na estrutura conformada analisou-se
a deformabilidade do pavimento.
A comparação entre os deslocamentos da estrutura reforçada e não reforçada permitiu determinar a
influência do reforço mostrando-se eficiente na redução dos deslocamentos superficiais verticais.
PALAVRAS-CHAVE: Geogrelha, Carregamento por Impacto, Pavimento Reforçado, Equipamento
LWD.
1 INTRODUÇÃO
O estado da estrutura do pavimento das estradas
pode se determinar através da avaliação de seu
comportamento estrutural ou funcional. Na
atualidade tem-se equipamentos e metodologias
próprias para determinar tais avaliações. A
medição das deflexões consiste numa
metodologia válida para determinar o estado
estrutural do pavimento, devido aos resultados
obtidos nas repetidas experiências nas estradas
no mundo, especialmente no âmbito de América
do Sul.
Hoje em dia, os materiais de reforço
conseguem ter maior importância e uso nas
obras geotécnicas pela praticidade no processo
construtivo do projeto. A utilização destes
materiais, contribuem para a minimização de
impactos ambientais, eliminando o emprego de
técnicas construtivas que comprometem a
integridade do ambiente natural, em geral poder
proporcionar o aumento de vida útil das
estruturas projetadas.
Uma adequada avaliação estrutural do
pavimento, neste caso não destrutiva, permite
inferir as características de deformabilidade da
estrutura sob carregamento estático ou
dinâmico. Para tal fim podem ser utilizados
equipamentos tipo “Falling Weight
Deflectometer” que transferem ao pavimento
uma carga dinâmica de impacto. A comparação
das deflexões registradas pelo LWD para a
estrutura do pavimento sem e com reforço
situado na interface subleito-base, determinou a
influência da geogrelha no incremento da vida
útil do pavimento.
O uso do modelo físico de pavimento de
verdadeira grandeza, situado no Laboratório de
Geotecnia da COPPE/UFRJ, é uma ótima
ferramenta de pesquisa por permitirem
aproximação maior com a situação de campo, e
sendo devidamente instrumentado, contribuem a
obter resultados que permitem avaliar o
comportamento de um pavimento.
Neste contexto, o presente trabalho avaliou o
comportamento da estrutura de um pavimento
experimental, através da medição das deflexões,
construído com materiais típicos da cidade do
Rio de Janeiro e também aborda o estudo do
geossintéticos que podem melhorar o
comportamento estrutural do pavimento.
2 MATERIAIS E MÉTODOS
Os ensaios do programa experimental desta
pesquisa foram realizados no Laboratório de
Geotecnia/Pavimentos da COPPE/UFRJ. A
continuação é descrito os materiais e os
métodos utilizados nesta pesquisa.
2.1 Materiais
2.1.1 Solo fino
O solo fino para compor a camada do subleito
foi escolhido propositalmente com
características de baixa qualidade como material
de fundação de um pavimento. Foi selecionado
um solo saprolítico, visualmente contendo silte,
proveniente do Município de Belford Roxo, no
Estado de Rio de Janeiro. Na Figura 1 é
mostrado a aparência física do solo armazenado
nas instalações do laboratório.
Os ensaios a que foram submetidos o
materiais da presente pesquisa foram realizados
com a finalidade de obter parâmetros de
referência a serem utilizados para analisar o
comportamento geotécnico do material.
Figura 1. Armazenamento do solo utilizado como
subleito
A classificação do solo segundo os sistemas
S.U.C.S., H.R.B e MCT são respectivamente,
CL-ML, A-7-6 e NS’. O material foi
compactado na energia intermediária do ensaio
Proctor (DNER-ME 129/94). Também foi
realizado o ensaio para a determinação do índice
de suporte Califórnia (CBR) (DNER ME
049/94). Os resultados destes ensaios são
apresentados na Tabela 1.
Tabela 1. Resultados dos ensaios do solo do subleito.
Energia de
compactação
Wot
(%)
ρdmax
(g/cm 3)
CBR
(%)
P. Intermediária 17 1,746 6
2.1.2 Brita
A camada de base foi composta por uma brita
graduada, faixa DIRENG. Este material é
proveniente da Pedreira EMASA, localizada em
Senador Camará, no Estado de Rio de Janeiro,
sendo a rocha matriz classificada como quartzo
monzonito.
Figura 2. Aparência física da brita.
A classificação da brita segundo os sistemas
S.U.C.S. e H.R.B são respectivamente, GW, A-
1a. O material foi compactado na energia
modificada do ensaio Proctor (DNER-ME
129/94). Foi realizado o ensaio para a
determinação do índice de suporte Califórnia
(CBR) (DNER ME 049/94). Os resultados
destes ensaios são apresentados na Tabela 2.
Também o agregado usado foi submetido ao
ensaio de Abrasão “Los Angeles” (DNER-ME
035/98) e apresentou uma perda da ordem de
43%, valor abaixo do limite de 55% para
materiais utilizados na construção de bases de
pavimentos rodoviários estabilizados
granulometricamente.
Tabela 2. Resultados dos ensaios da brita.
Energia de
compactação
Wot
(%)
ρdmax
(g/cm 3)
CBR
(%)
P. Modificada 5,4 2,257 208,6
2.1.3 Elemento de reforço de base
O elemento de reforço utilizado na presente
pesquisa foi a geogrelha de polipropileno. Este
produto é produzido de filamentos de
polipropileno de alta tenacidade, com
revestimento protetor polimérico de elevada
rigidez e apresenta malha de abertura de 40 mm.
Este modelo de geogrelha possui elevada
resistência ao arrancamento e é capaz de
mobilizar elevadas cargas de tração a níveis de
deformação muito baixos segundo o manual do
fabricante. A Tabela 3 apresenta as
especificações técnicas fornecidas pelo
fabricante da geogrelha em questão.
Tabela 3. Especificações técnicas da geogrelha, Fonte:
Huesker (Agosto, 2010)
Propriedade Unidade Método Valor
Abertura de malha nominal mm 40
Módulo de rigidez à tração
nominal (à 2% de
deformação)
KN/m ABNT
12.824 600
Deformação máxima na
resistência nominal %
ABNT
12.824 10
Coeficiente de interação ASTM D
6706 ≥ 0,95
2.2 Métodos
Se descreverão o equipamento e os detalhes de
execução dos ensaios.
2.2.1 Tanque teste de pavimentos
O modelo físico de grandes dimensões utilizado
nesta pesquisa, denominado de “Tanque-Teste”
de Pavimentos, foi desenvolvido por Silva
(2009).
O “Tanque-Teste” foi utilizado para simular
um pavimento com dimensões próximas das
reais em campo, principalmente às espessuras
das camadas. A área interna do Tanque é 4,0 m2
e altura 1,80 m, sendo seu volume interno de
aproximadamente 8,0 m3, com paredes duplas
de concreto armado com 0,20 m de espessura.
Este tanque se encontra num prédio de 29,0 m2
de área aproximadamente, localizado no
Laboratório de Geotecnia da COPPE/UFRJ,
bloco anexo ao Centro de Tecnologia, na cidade
Universitária da UFRJ, Ilha do Fundão, no Rio
de Janeiro.
2.2.2 Estrutura do pavimento experimental no
Tanque-Teste
As espessuras das camadas do pavimento
experimental construído no “Tanque-Teste”
foram concebidas a partir de estruturas típicas.
O pavimento experimental foi composto por
uma camada de drenagem de lastro de brita (1”)
com espessura de 0,14 m, de uma camada
considerada como subleito de 1,00 m de
espessura e uma camada de base de 0,20 m de
espessura.
Além da estrutura conformada o Tanque foi
implementado com sistema de instrumentação e
aquisição de dados, que permitiram avaliar o
comportamento da estrutura frente à aplicação
de carga por impacto e à variação da umidade
do subleito. Assim também foi utilizado o
sistema de umedecimento do tanque para o
processo de saturação do subleito. Na Figura 3
está apresentada esquematicamente a estrutura
de pavimento construída, com a instrumentação.
Figura 3. Esquema das camadas do pavimento com a
instrumentação instalada.
2.2.3 Sistema de carregamento e
instrumentação
O sistema responsável pela geração do
carregamento por impacto é o equipamento
Light Weight Deflectometer (LWD) que é
operado de forma manual. O equipamento é
composto por uma célula de carga de alta
precisão que mede o valor máximo da força de
impacto da queda de um peso de 15 kg
acoplado a uma placa de carga com diâmetro de
30 cm, conforme a Figura 4. O valor máximo da
força de impacto é baseado em medidas de
célula de carga e os deslocamentos (deflexões)
que são medidos em até 3 sensores, que ficam
posicionados a diferentes distâncias em relação
ao centro da placa. O software de coleta de
dados exibe na tela do Palm Top o Módulo de
resiliência da superfície e um gráfico de histórico
em tempo real.
Figura 4. Equipamento na posição de uso para medir
deflexão.
A instrumentação utilizada nessa pesquisa foi
composta por: dispositivos de medição de
umidade TDRs (Refletômetros no Domínio do
Tempo) e de sucção TAC (Tensiômetros de
Alta Capacidade) que permitiram avaliar a
variação da umidade do subleito, distribuídos a
diferentes profundidades no interior das
camadas do pavimento, tal como é mostrado na
Figura 5.
Figura 5. Colocação da instrumentação nas camadas
conformadas.
3 PROGRAMA EXPERIMENTAL
3.1 Programa dos ensaios realizados no
modelo físico “Tanque-Teste”
Com o propósito de verificar a eficiência e o
benefício do uso da geogrelha na estrutura de
pavimentos flexíveis como reforço na camada de
base de pavimento, foi avaliado a resposta do
material de reforço mediante a medida das
deflexões na superfície da seção de pavimento
devido ao carregamento por impacto imposto
sobre a estrutura. Foi testada a situação não
reforçada e reforçada quando a estrutura do
pavimento foi saturada até o nível do subleito.
A Figura 6 mostra a estrutura do pavimento
na qual foi avaliada o comportamento mecânico
do pavimento, para as três etapas de ensaios no
“Tanque Teste”.
Figura 6. Estrutura do pavimento para as três etapas de
ensaios no “Tanque-Teste”.
Após a construção da estrutura básica subleito –
base dentro do modelo físico, considerando-se a
situação típica de pós - construção com as
camadas compactadas nas respectivas umidades
ótimas, esta configuração foi submetida aos
ciclos de carregamento com os dois sistemas.
Na sequência, foram feitas mais três etapas
como explicado a seguir;
1. Foi retirada a camada de base, colocada
a geogrelha sobre o subleito e refeita a base,
sendo que este material de reforço foi
devidamente ancorado ao solo do subleito,
aplicando-se em seguida as cargas;
2. Foi mudada a condição de umidade do
subleito, mediante inundação até o topo do
subleito sob a estrutura reforçada, e submetida a
estrutura às cargas.
3. Foi retirada a camada de base e a
geogrelha ainda com o subleito inundado e
novamente foi conformada a camada de base, e
submetida às cargas.
3.2 Metodologia
O ensaio dinâmico de impacto através do LWD
foi realizado em três pontos sobre a superfície
do pavimento experimental para cada etapa do
programa experimental seguindo o esquema
mostrado na Figura 7, decidido de forma
condicionada pela geometria da instrumentação
existente no experimento. Cada ponto foi
ensaiado três vezes, e se obtêm a média das
deflexões resultantes e o valor de módulo de
resiliência.
Figura 7. Esquema de realização de ensaios.
4 ANÁLISE DE RESULTADOS
Os resultados decorrentes da execução dos
ensaios realizados com o LWD são
apresentados a continuação. Na Tabela 4
apresentam-se os resultados do ensaio referentes
à deformabilidade da estrutura do pavimento
reforçada com o subleito - compactado na
umidade ótima decorrente da aplicação de carga
do LWD. Foi realizado este ensaio para ter uma
referência do comportamento do pavimento
reforçado em condições de umidade ótimas no
desempenho do pavimento. Na Tabela 4
apresentam-se os resultados logo acabado o
ensaio pelo equipamento LWD.
Tabela 4. Resultados do ensaio sobre a estrutura do
pavimento reforçado – subleito na umidade ótima.
Pont
o 1 2 3
Desl
ocam
en
tos
elá
stic
os
(mm
)
Leitur
a Média
Leitura Média
Leitur
a Média
0,509
0,465
0,496
0,481
0,412
0,450
0,467 0,466 0,450
0,437
0,480 0,471
Mó
du
lo d
e
Resi
lien
cia
(MP
a)
72,6
75,0
70,3
Analisando-se os resultados da Tabela 4,
pode-se observar que nos três pontos de
aplicação de carga do LWD se obtêm valores de
deslocamentos elásticos (deflexão) próximos.
Assim também foram realizados os ensaios
para as duas etapas mais programadas.O
segundo foi quando o subleito foi submetido à
saturação, considerando-se tal situação como a
mais severa, então foi aplicada a carga para a
estrutura reforçada.
A saturação do subleito foi realizada
mediante ascensão capilar e o avanço da franja
foi monitorada pelas leituras diárias feitas pelos
TDRs que indicaram o valor da umidade em
cada camada de 20 cm do subleito, ao momento
que estabilizaram tais medições supõe-se a
saturação do material do subleito, a continuação
foi aplicado o carregamento a través do LWD
para assim continuar com o terceiro ensaio para
o qual foi retirado o reforço e manteve-se a
situação de umidade de saturação para logo
aplicar o mesmo tipo de carregamento dos
ensaios anteriores.
Apresenta-se a continuação as deflexões
obtidas nos últimos ensaios, quando o subleito
esteve saturado para a situação da estrutura
reforçada e não reforçada. Para fins
comparativos também é apresentada a variável
do módulo de resiliência obtida para cada
ensaio. Este valor é dado pelo equipamento, sem
interferência do operador e deve ser considerado
como estimativa da rigidez sob as condições do
ensaio de impacto.
A Tabela 5 mostra o resumo das
deformações e módulos de resiliência dos
ensaios em comparação.
Tabela 5. Deflexões e módulos de resiliência obtidos com
o ensaio do LWD no Tanque Teste.
Variável
Ponto
de
análise
Estrutura
reforçada
(subleito
inundado)
Estrutura não
reforçada
(subleito
inundado)
Deflexão
(mm)
(1) 1,506 1,756
(2) 0,950 1,422
(3) 1,127 1,337
Módulo de
Resiliência
(MPa)
(1) 22,4 19,2
(2) 35,5 23,7
(3) 30,0 25,2
Para o ensaio sobre a estrutura reforçada
após a saturação do subleito as deflexões
registradas nos três pontos de análise
apresentaram significativa diferença, sobretudo
no ponto de ensaio “1”. Isto pode ter acontecido
porque nesta condição de umidade do subleito, a
acomodação das partículas do subleito pode ter
sido diferente em cada seção do ponto
considerado para este ensaio, e, a cada aplicação
do impacto ter tido diferentes respostas de
distribuição das tensões.
Para a situação não reforçada, os resultados
obtidos mostram que as deflexões registradas
neste ensaio aumentaram se comparadas às
desenvolvidas no ensaio com a estrutura
reforçada também com o subleito saturado. O
aumento das deflexões que ocorreu com a
retirada do material de reforço, confirma o
efeito positivo que tem a geogrelha para
prolongar a vida útil do pavimento.
Nos ensaios realizados na estrutura reforçada
e não reforçada com o subleito inundado, a
inserção da geogrelha no pavimento gerou uma
redução na deflexão. Essa redução nos pontos
1, 2 e 3 foi de 14%, 33% e 15%
respectivamente. Pela similitude na percentagem
de redução para os pontos 1 e 3 pode-se
concluir que a inserção da geogrelha reduziu as
deflexões em 14%.
Os resultados das deflexões e dos módulos
de resiliência para as estruturas reforçadas
refletem a perda de rigidez do subleito quando a
estrutura é submetida a saturação, que
compromete a vida útil do pavimento.
5 CONCLUSÕES
Os resultados obtidos nos ensaios realizados
indicam que a utilização da geogrelha como
material de reforço na camada de base colocada
na interface subleito - base mostrou ser eficiente
na redução das deflexões superficiais, na
condição mais severa de umidade do subleito
(saturado). A presença da geogrelha também
resultou mecanismo que se expressa num
aumento no valor de módulo de resiliência para
cada ponto analisado. Conclui-se que
expectativa de melhoria da vida útil do
pavimento deve - se à que a inclusão da
geogrelha se reflete num módulo equivalente
maior. O emprego do LWD para a avaliação do
comportamento mecânico do pavimento
experimental mostrou-se eficiente, sendo uma
ferramenta recomendável para estudos
deflectométricos de forma pontual. A
instrumentação com o TDR destinada ao
monitoramento da umidade do subleito do
“Tanque-Teste” forneceu resultados
satisfatórios face às duas situações de umidade
consideradas para os ensaios. A caracterização e
estudo do solo do subleito proveniente de uma
jazida local do Estado do Rio de Janeiro
permitiu contribuir com o catálogo de materiais
destinados a obras rodoviárias. É importante
mencionar que os resultados e as conclusões da
presente pesquisa, restringem-se aos materiais e
às condições dos ensaios realizados, sendo
necessário um aprofundamento dos estudos
realizados para uma eventual generalização.
AGRADECIMENTOS
À PUC-Rio, à UFRJ e à CAPES pelos auxílios
concedidos, sem os quais este trabalho não
poderia ter sido realizado.
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