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39 REUNIO ANUAL DE PAVIMENTAO
13 ENCONTRO NACIONAL DE CONSERVAO RODOVIRIA 39 RAPv / 13 ENACOR
RECIFE, PE - BRASIL - 16 a 19 de Setembro de 2008
AVALIAO DE RESULTADOS DE CBR E EXPANSO DE SOLOS RESIDUAIS DE GRANITO DA REGIO DE TUBARO-SC
Antnio Fortunato Marcon1; Rafael Augusto dos Reis Higashi1; Regina Davison Dias3 1 Prof. D.Sc Universidade Federal de Santa Catarina - Rua Joo Pio Duarte, s/n Caixa Postal 476 Florianpolis SC CEP 88040-970 e-mail: [email protected] 2 Prof. D.Sc Unisul - Campus da Grande Florianpolis Av: Pedra Branca, 25 - Cidade Universitria Pedra Branca 88137-270 - Palhoa SC Fone: ( 48) 3279-1500 - e-mail: [email protected] 3 Prof D.Sc Unisul Campus da Grande Florianpolis Av: Pedra Branca, 25 - Cidade Universitria Pedra Branca 88137-270 - Palhoa SC Fone: ( 48) 3279-1500 - e-mail: [email protected]
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RESUMO A reduzida disponibilidade de jazidas de materiais para pavimentao em reas urbanas faz com que o conhecimento do comportamento de solos tenha papel importante para um melhor aproveitamento das caractersticas geotcnicas dos materiais disponveis para construo de pavimentos mais duradouros. A avaliao da resistncia penetrao e expanso medidas atravs do ensaio de CBR(California Bearing Ratio) tem-se mostrado apropriada para a avaliao de materiais para construo de pavimentos de vias urbanas, alm de tratar-se de um ensaio simples e de custo reduzido. Utilizando o ensaio mencionado, esta pesquisa estudou o comportamento de amostras de solos residuais de granito localizados no municpio de Tubaro-SC com o objetivo de utiliz-los em servios de pavimentao urbana. Foram avaliadas amostras compactadas em laboratrio e amostras indeformadas coletadas usando cilindros biselados. Foram empregados corpos de prova de diferentes jazidas, em sua maioria foram coletadas no horizontes C, em razo de seu maior volume quando comparado aos das demais camadas de solos. Quando cotejados, os resultados de resistncia penetrao com amostras compactadas e indeformadas mostraram resistncias penetrao diferentes. Por outro lado, de um modo geral, a expanso das amostras foi menor para amostras indeformadas. PALAVRAS-CHAVE: Palavras-Chave: Expanso CBR Solos Residuais - Pavimentos ABSTRACT The reduced availability of material sources for pavement construction in urban areas gives more importance to the knowledge of soil behavior for a better use of geotechnical characteristics of available materials for more durable pavement construction. The use of CBR(California Bearing Ratio) test for measuring soil resistance and swelling has shown to be appropriate for material evaluations to being used in urban pavement construction. It is also a simple and low cost test. Using mentioned test, this research evaluated the behavior of residual granite soils localized in Tubaro SC municipality for use in urban pavement construction. Samples were compacted in laboratory and undisturbed samples were collected using special equipments. Soils from different sources were tested, almost all collected at soil horizon C, because this soil layer generally is thicker than others. When compared, the resistance data of compacted samples in laboratory are quite different those obtained from undisturbed samples. By other hand, the undisturbed sample swellings are generally lower than compacted samples. Key Words: Swelling - CBR Residual Soils Pavements
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INTRODUO
Nos dias de hoje, observado no Brasil um significativo incremento no volume de obras de
pavimentao. Tais obras envolvem principalmente servios de escavao, aterros, duplicao de pistas, abertura de faixas adicionais, implantao de trevos e dispositivos de retorno, definio de reas de emprstimo de solo, reas de bota-fora, etc.
Seno (1975) relata que a construo de um pavimento exige no s conhecimentos dos materiais constituintes da camada do pavimento, mas tambm dos que compem o subleito. Dentre estes materiais destaca-se o solo, que interfere diretamente em todas as etapas do pavimento. No contexto de obras virias, o sucesso em atingir a longevidade pr-estabelecida de um pavimento deve calcar-se em um criterioso controle tecnolgico de campo, pautado em dados laboratoriais.
A rea de aplicao desta pesquisa localiza-se no centro urbano do municpio de Tubaro, que se desenvolveu sobre um grande depsito de argila mole, fazendo com que suas vias centrais sofram grande deformao por consolidao. As poucas elevaes granticas, cujos materiais poderiam ser utilizados na construo da estrutura dos pavimentos, apresentam, na maioria dos casos relatados na rea estudada, baixos valores de resistncia e elevada expanso (Higashi, 2006).
Os solos residuais, Cambissolos e Podzlicos Vermelho-Amarelo, oriundos das elevaes granticas prximas rea urbana do municpio foram desenvolvidos sobre rocha muito fraturada, o que possibilitou processos de intemperismo diferenciado, e que gera solos de distintas texturas, tornando necessrio que sua seleo seja realizada de forma bastante criteriosa.
Neste trabalho, so empregados mtodos tradicionais de avaliao dos solos para a pavimentao, atravs de ensaios de compactao e CBR, mediante os quais possvel conhecer, alm dos parmetros de compactao, a resistncia penetrao e a expanso do material pela saturao do solos mediante imerso. Foram coletadas e ensaiadas amostras deformadas e indeformadas.
Os objetivos da pesquisa relatada neste trabalho so: avaliar as caractersticas geomecnicas dos solos de jazidas para construo de camadas de sub-base de pavimentos de vias da cidade de Tubaro SC; avaliar a resistncia dos solos atravs de amostras indeformadas, para o caso do solo de um corte ser utilizado como material de subleito sem sofrer compactao; avaliar as variaes de resistncia penetrao e expanso de solos para diferentes graus de densificao atravs de ensaios de CBR dos corpos de prova da curva de compactao; avaliar os efeitos da gua na resistncia e expanso com o intuito de inferir os efeitos das falhas dos dispositivos de drenagem.
Acredita-se que vivel a utilizao do ensaio de CBR para estudo de materiais de pavimentos de vias urbanas em prefeituras de menor porte, como o municpio de Tubaro. Ressalta-se, entretanto, que os resultados aqui obtidos podero ser utilizados tambm na avaliao de saibros para construo de rodovias de baixo volume de trfego. COMPORTAMENTO GEOMECNICO DOS SOLOS
importante ressaltar que a seleo dos locais para coleta das amostras de solo foi baseada nos resultados de um estudo relativo dinmica urbana, efetuado na tentativa de prever a direo do crescimento da mancha urbana do municpio, traduzida atravs da ocupao de novas reas por estruturas civis e a densificao dos vazios urbanos.
Nas reas de potencial ocupao foram concentrados ensaios geotcnicos objetivando a previso do seu comportamento geomecnico. As reas de expanso urbana foram analisadas inicialmente atravs da discretizao de dois grandes universos geotcnicos: os solos residuais de granito e os solos sedimentares de argila mole. A individualizao dos universos geotcnicos possibilitou a adequada anlise de seu comportamento atravs ensaios geotcnicos especficos, resultando em reduo de tempo e aumento de qualidade das informaes (Higashi, 2006).
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Neste trabalho so relatados os resultados do comportamento mecnico de solos residuais de
granito para fins de pavimentao de vias urbanas do municpio de Tubaro SC. COMPACTAO
Os ensaios geotcnicos de compactao foram realizados de acordo com a norma NBR 7182/86. Utilizou-se a energia Proctor Intermedirio para a moldagem de corpos de prova, com 5 camadas de solo, onde em cada camada so aplicados 26 golpes do soquete padro.
Para a determinao da umidade tima, foram ensaiados, no mnimo, 5 corpos de prova para a construo do grfico peso especfico aparente seco ( d ) versus teor de umidade do solo (w).
CALIFORNIA BEARING RATIO - CBR
Os ensaios de CBR e expanso (DNER ME 49-74 e NBR 9895/87) foram realizados em
11 pontos de estudo analisados por esta pesquisa, sem o reuso do material utilizado para a construo da curva de compactao (amostra no trabalhada).
De modo diferente do que estipula a norma e com finalidade de pesquisar o comportamento do solo na sua estrutura natural, o ensaio de CBR foi realizado nos solos nos seus estados natural, indeformado e com e sem a inundao de 4 dias.
Para a realizao do ensaio no estado natural, foi necessria a coleta de amostras indeformadas com o auxlio de cilindros biselados que possuam as mesmas dimenses do equipamento usado no ensaio de laboratrio.
Pelo procedimento do ensaio, dois cilindros so cravados dinamicamente com o auxilio de peso de 8 kg, guiados por uma haste de metal para a orientao da queda do peso e cabeote para a distribuio da energia causada pelo impacto.
Aps o cilindro ser cravado, necessria a escavao lateral para a recuperao do equipamento com a amostra. A Figura 01 apresenta a coleta das amostras pela recuperao dos cilindros.
FIGURA 01b. Recuperao dos cilindros metlicos.
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ESTUDO DOS SOLOS RESIDUAIS DE GRANITO PARA A PAVIMENTAO DE VIAS
Atravs do mapeamento do municpio de Tubaro efetuado preliminarmente, no foram
constatadas muitas elevaes prximas ao centro urbano, o que resulta em certa escassez de solos para a utilizao na pavimentao.
Levando-se em considerao o cenrio existente, as elevaes do municpio, compostas por solos residuais de granito do tipo Cambissolo e Podzlico Vermelho-Amarelo, foram analisadas atravs de ensaios que compreendem o comportamento do solo no estado compactado, como os ensaios de Compactao, de ndice de Suporte Califrnia (CBR), da Metodologia MCT e de DCP. Neste trabalho so apresentados somente os resultados dos ensaios de compactao e CBR. Os demais ensaios sero apresentados em outras publicaes ou congressos e esto inseridos em Higashi (2006).
Entende-se ainda que apesar da evoluo das pesquisas relativas ao uso de corpos de prova em forma de pastilhas da metodologia MCT, os valores determinados atravs deste mtodo ainda no substituem os resultados alcanados atravs dos procedimentos dos ensaios de compactao e CBR na determinao de jazidas de solos para a pavimentao de vias.
Foram ensaiadas amostras coletadas em 11 pontos, inseridos ou localizados nas proximidades da rea urbana do municpio de Tubaro-SC. Resultados dos Ensaios de Compactao
Os resultados dos ensaios de compactao so apresentados atravs das curvas de
compactao obtidas com base na norma NBR 7182/86, utilizando a energia intermediria. A Figura 02 apresenta as curvas de compactao para os pontos de estudo analisados,
obtidas para a determinao do estudo das correlaes entre os valores de CBR.
FIGURA 02. Curvas de compactao e linha de tendncia entre o peso especfico aparente mximo e umidade tima dos pontos ensaiados
0,88
1,08
1,28
1,48
1,68
1,88
2,08
2,28
2,48
2,68
4 9 14 19 24 29 34Teor de umidade (%)
Pes
o E
sp. A
par.
Sec
o (g
/cm
3)
Ponto_01 Ponto_02Ponto_03 Ponto_04Ponto_05 Ponto_06Ponto_07 Ponto_08Ponto_09 Ponto_10Ponto_11 W_tima versus Peso Espec. Apar. Seco
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Observa-se que, exceo do ponto de estudo 09, h uma tendncia das curvas em se
agruparem em uma faixa entre os valores de massa especfica aparente seca de 2,35 a 1,78g/cm3 e teores de umidade timos entre 10,5 e 28,55%.
Construindo-se a relao entre a massa especfica aparente seca mxima (MEASmax) e os valores de umidade tima (wtima), e desconsiderando-se o ponto de estudo 09, verifica-se que o valor do coeficiente de determinao de 0,98 satisfatrio.
Ressalta-se que a realizao do ensaio de MCT expedito, caracterizao e determinao dos ndices fsicos no foram suficientes para a caracterizao do comportamento diferencial apresentado pelo ponto de estudo 09. So sugeridas anlises mais detalhadas dos materiais desta jazida para uma definio de seu comportamento como material de estrutura de pavimentos.
Para os solos estudados nesta pesquisa, verificou-se que a tendncia do acrscimo dos valores de umidade tima com os teores de argila+silte bem mais consistente que aquela verificada para os teores de argila apenas, como mostram os dados plotados no grfico da Figura 03 e os respectivos coeficientes de determinao.
FIGURA 03. Grfico da relao entre teores de argila e argila+silte versus umidade tima para os pontos de estudo
Resultados dos Ensaios de CBR e Expanso Os resultados do ndice de Suporte Califrnia (CBR) e expanso foram determinados de
acordo com a norma NBR 9895/87 no estado natural e compactados.
Expanso do Solo no Estado Indeformado e Compactado
Os resultados relativos aos valores de expanso para 96 horas nos estados natural indeformado e compactado so mostrados pela Tabela 01 e pelo grfico da Figura 04.
No foi possvel a determinao da expanso natural indeformada dos pontos de estudo 03 e 11 devido impossibilidade da coleta de amostras indeformadas. Estes solos muitas vezes apresentavam minerais no intemperizados de grandes dimetros(da ordem de 3 polegadas ou maior) que causaram alguns danos ao cilindro biselado no momento de sua cravao, em razo do acrscimo da resistncia do solo.
Os pontos de estudo 01, 02 e 04 apresentam elevados resultados de expanso do solo compactado na umidade tima atingindo valores acima de 2%.
Destaca-se o comportamento no estado compactado do ponto de estudo 01, que apresentou a maior expanso em quase todos os pontos dos teores de umidade de compactao.
y = 2,3396x - 18,842R2 = 0,7674
y = 4,4772x - 25,693R2 = 0,9064
0
20
40
60
80
100
10 15 20 25 30Umidade tima (%)
Gra
nulo
met
ria (%
)
Umidade tima x Teor de argila (%)Umidade tima x Teor de argila + silte (%)
Perc
entu
al d
e ar
gila
+ si
lte
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Na Figura 04, a faixa de expanso correspondente aos primeiros teores de umidade da
curvas de compactao so os que apresentam os maiores valores de expanso. Os valores tendem a reduo com o aumento do teor de umidade de compactao dos corpos de prova de solo. Estes resultados demonstram a importncia de evitar a compactao do solo com teores de umidade muito abaixo da umidade tima. Este fato torna-se mais crtico quando o controle tecnolgico da qualidade dos servios no adequado.
As amostras de solos coletados no estado natural e indeformado apresentaram baixos valores de expanso, sendo os maiores apresentados para os pontos 01 e 06 com 0,15 e 0,16%, respectivamente.
TABELA 01. Resultado dos valores expanso para os cinco pontos da curva de compactao e expanso do solo
natural indeformado
Legenda: w1 teor de umidade do ponto 01 da curva de compactao; wtima umidade tima; ES in loco expanso medida atravs da coleta de amostras indeformadas em campo com anis biselados e ensaiadas em laboratrio.
PONTO 1 EXPANSO PONTO 4 EXPANSO PONTO 9 EXPANSO w1 5,28% w1 3,58% w1 0,60% w2 3,73% w2 3,98% w2 0,40% wtima 3,18% wtima 2,52% wtima 0,23% w4 2,41% w4 1,73% w4 0,07% w5 0,83% w5 0,00% w5 0,02% ES in loco 0,15% ES in loco 0,00% ES in loco 0,00% PONTO 2 EXPANSO PONTO 5 EXPANSO PONTO 10 EXPANSO w1 3,55% w1 0,20% w1 0,20% w2 2,35% w2 0,21% w2 0,16% wtima 2,64% wtima 0,05% wtima 0,77% w4 1,64% w4 0,00% w4 0.89% w5 0,39% w5 0,00% w5 0,84% ES in loco 0,00% ES in loco 0,00% ES in loco - PONTO 3 EXPANSO PONTO 6 EXPANSO PONTO 11 EXPANSO w1 1,18% w1 3,94% w1 1,33% w2 0,57% w2 2,56% w2 0,72% wtima 1,64% wtima 0,95% wtima 0,43% w4 0,26% w4 0,16% w4 0,15% w5 0,09% w5 0,00% w5 0,10% ES in loco - ES in loco 0,16% ES in loco 0,00%
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FIGURA 04. Expanso dos corpos de prova compactados nos 5 teores de umidade da curva de compactao e
expanso do solo natural e indeformado in loco.
Valores de CBR no Estado Indeformado e Compactado do Solo
Os valores de CBR do solo foram obtidos a partir de amostras indeformadas coletadas
dinamicamente atravs de anis biselados e em corpos de prova compactados nos 5 teores de umidade da curva de compactao.
Atravs da Figura 05 so observados os elevados valores de CBR obtidos atravs de corpos de prova sem a imerso em gua por 96h como estipula a norma. Este fato indica a necessidade do bom funcionamento dos sistemas de drenagem, o que permite que o solo no estado compactado apresente menores quedas de resistncia quando utilizado. Pode-se verificar tambm que ocorre variao da resistncia dos solos nas condies in situ, cuja anlise ser mostrada adiante na Figura 09. Os valores menores de CBR podem ser justificados pela menor densificao das amostras de campo em relao s de laboratrio.
Os valores de CBR separados por pontos de estudo so mostrado no grfico da Figura 06.
0%
1%
2%
3%
4%
5%
6%
Teor de umidade 1 Teor de umidade 2 Umidade tima Teor de umidade 4 Teor de umidade 5 Expanso in loco
Pontos da curva de compactao
Exp
ans
o (%
)
Ponto_01Ponto_02Ponto_03Ponto_04Ponto_05Ponto_06Ponto_09Ponto_10Ponto_11
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FIGURA 05. Valores de CBR do solo compactado para os 5 pontos da curva de compactao e nas condies indeformada dos solos estudados na situao com e sem inundao de 96h.
Os pontos 06, 10 e 11 so os que apresentaram maiores valores mdios de CBR sem
inundao dos corpos de prova, enquanto que os corpos de prova inundados correspondentes aos pontos 05, 09, 10 e 11 so os que apresentam maiores valores.
A queda de resistncia do solo no estado compactado mais significativa analisada atravs dos valores resultantes do ensaio CBR, foi percebida para os solos do ponto 01 e 04, com redues de 76,13% e 80,56%, quando comparados valores de CBR antes e aps a inundao dos corpos de prova, respectivamente. Este fato ressalta ainda mais os cuidados necessrios ao sistema de drenagem para as vias construdas utilizando estes tipos de solos.
As relaes entre os valores de CBR e teor de umidade em que foram moldados os corpos de prova, e rompimento nas condies com e sem imerso dos corpos de prova em gua por 96h, apresentam as formas apresentadas nas Figuras 07 e 08.
Sobre estes grficos inserida a faixa de tendncia entre os pontos mximos de massa especfica e teor de umidade tima, apresentando resultados bastante distintos.
Para os corpos de prova sem a inundao de 96h estes pontos mximos apresentam-se inseridos em uma faixa estreita, onde os valores decrescem suavemente com o aumento do teor de umidade.
Os solos compactados e submersos em gua apresentaram valores mais dispersos, com uma faixa mais larga e tendendo a decrescer os valores mais acentuadamente que os solos sem imerso.
Fato semelhante relatado por Alves (2002) para os solos residuais ensaiados da Grande Florianpolis. O autor ressalta que quanto mais inclinada a faixa de valores de CBR e Wtima, menores os valores de resistncia do solo com a influncia da gua.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
0 1 2 3 4 5 6 7Pontos da curva de compactao
Val
ores
de
CB
R (%
)
CBR SEM IMERSO
CBR COM IMERSO
In Loco
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FIGURA 06. Valores de CBR do solo compactado para os 5 pontos da curva de compactao dos pontos de estudo na
situao com e sem inundao de 96h para os pontos de estudo
FIGURA 07. Faixa de tendncia determinada atravs das curvas de CBR sem imerso dos pontos de estudo.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
1 2 3 4 5Pontos da curva de compactao
Valo
res
de C
BR (%
)
PONTO_01_SEM IMERSO PONTO_01_COM IMERSO PONTO_02_SEM IMERSO PONTO_02_COM IMERSO PONTO_03_SEM IMERSO
PONTO_03_COM IMERSO PONTO_04_SEM IMERSO PONTO_04_COM IMERSO PONTO_05_SEM IMERSO PONTO_05_COM IMERSO
PONTO_06_SEM IMERSO PONTO_06_COM IMERSO PONTO_09_SEM IMERSO PONTO_09_COM IMERSO PONTO_10_SEM IMERSOPONTO_10_COM IMERSO PONTO_11_SEM IMERSO PONTO_11_SEM IMERSO
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
4 9 14 19 24Teor de Umidade (%)
CB
R (%
)
Ponto_01 Ponto_02 Ponto_03 Ponto_04 Ponto_05
Ponto_06 Ponto_09 Ponto_10 Ponto_11 Wtima versus CBR
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FIGURA 08. Faixa de tendncia determinada atravs das curvas de CBR com imerso dos pontos de estudo.
Quanto aos valores de CBR de amostras coletadas indeformadas e ensaiadas em laboratrio,
no foram obtidos resultados de ensaios superiores a 12%, como observado atravs da Figura 09. Os maiores valores para corpos de prova sem imerso foram apresentados para os solos analisados no ponto 01 e 04 com 12% para ambos. Deve-se ressaltar que as massas especficas in situ so significativamente inferiores quelas obtidas por compactao em laboratrio com a energia intermediria (em mdia a massa especfica in situ equivale a 80% daquela da amostra compactada).
FIGURA 09. Valores de CBR do solo in loco dos pontos de estudo na situao com e sem inundao de 96h.
Para amostras ensaiadas com inundao dos corpos de prova, os maiores valores foram
obtidos para os pontos de estudo 01, 04 e 05 com 5%, 6% e 5%, respectivamente. A Tabela 02 apresenta os valores de CBR obtidos a partir de corpos de prova compactados
no teor de umidade timo, com e sem inundao de 4 dias e suas respectivas expanses.
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
1 2 4 5 6 9 11Pontos de Estudo
CB
R in
loco
(%)
In loco com imerso de 72hs
In loco sem imerso de 72hs
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
50%
4 9 14 19 24Teor de Umidade (%)
CBR
(%)
Ponto_01 Ponto_02 Ponto_03 Ponto_04 Ponto_05
Ponto_06 Ponto_09 Ponto_10 Ponto_11 Wtima versus CBR
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Foram efetuadas anlises relativas aos valores de CBR e expanso dos corpos de prova
compactados no teor de umidade tima visando o seu emprego em camadas de sub-base (CBR20% e Exp
