reforÇo e melhoramento de solos moles com uso...
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Carlos Eduardo Andretta Checon
500091 – 10º Semestre
REFORÇO E MELHORAMENTO DE SOLOS MOLES
COM USO DE GEOMALHAS BIAXIAIS
Itatiba
2008
Carlos Eduardo Andretta Checon
500091 – 10º Semestre
REFORÇO E MELHORAMENTO DE SOLOS MOLES
COM USO DE GEOMALHAS BIAXIAIS
Monografia apresentada a disciplina
Trabalho de Conclusão de Curso, do
Curso de Engenharia Civil da
Universidade São Francisco, sob a
orientação do Profº Ms Ribamar de Jesus
Gomes, como exigência para conclusão do
curso de graduação.
Itatiba
2008
CHECON, Carlos Eduardo. Reforço e melhoramento de solos moles com uso de
geomalhas biaxiais. Monografia defendida e aprovada na Universidade São Francisco em 10
de Dezembro de 2008 pela banca examinadora constituída pelos professores:
Profº Ms Ribamar de Jesus Gomes
Profº Dr. Adão Marques Batista
Profº Dr. André Bartholomeu
Dedico este trabalho:
Aos meus pais, Carlos Ernesto Checon e Rosana Maria Andretta Checon, pelo amor,
carinho, apoio institucional aos meus estudos e incentivo ao aprendizado continuo. Pais que
admiro respeito, amo e sempre terei enorme gratidão.
AGRADECIMENTOS
À Deus por colocar em minha vida pessoas importantes, que me ajudaram e irão me
ajudar tanto pessoalmente como profissionalmente.
A minha família, que me deu toda a ajuda nos momentos mais difíceis, e apostaram
em mim para que concluísse mais esta etapa de minha vida. Obrigado Pai e Mãe por terem me
incentivado, lutado e acreditado em mim.
Aos meus grandes amigos Wendel (Vidi), Cleyton (Azeitona), Fernando (Tripa),
Wilson (Virso), Gabriel (Peludo), Henrique e a todos os outros que não cito aqui que juntos
vivemos momentos de nervosismo, apreensão, felicidade, satisfação, e com certeza os laços
de amizades serão eternos.
Ao grande amigo e orientador Professor Mestre Ribamar de Jesus Gomes, que me
orientou para a conclusão deste trabalho. Agradeço por ter me incentivado, apoiado e ajudado.
Com certeza ficarão laços de amizades. Jamais me esquecerei desta fase de minha vida.
A todos os professores e colegas de turma, com quem tive convívio dentro da
universidade no decorrer destes anos.
A todos que de alguma maneira ajudaram para a conclusão deste trabalho.
Obrigado!
“Há momentos em que a maior sabedoria é parecer não saber nada.”
(Sun Tzu)
CHECON, Carlos Eduardo. Reforço e melhoramento de solos moles com uso de
geomalhas biaxiais. Monografia defendida e aprovada na Universidade São Francisco em 10
de Dezembro de 2008 pela banca examinadora.
RESUMO
Com a aceleração acentuada da construção civil no Brasil nos últimos anos foram
abertas as portas para o conhecimento e aplicação de novas tecnologias. Com o setor de
geossintéticos não foi diferente, novas tecnologias entraram no mercado para atender a
demanda das novas exigências do setor construtivo. A grande preocupação ambiental também
é um fator que está influenciando muito nessa procura por novas soluções, onde os
geossintéticos atuam com grande respeito e desenvolvem um papel de suma importância em
obras de engenharia. Este trabalho tem como objetivo apresentar a nova tecnologia que
envolve as geomalhas biaxiais para reforço e melhoramento de solos moles em rodovias e
estradas não pavimentadas, a fim de demonstrar todos os benefícios que este tipo de solução
nos traz, tais como a agilidade construtiva, custo/beneficio, menor degradação ambiental,
mostrando desde os testes realizados no produto quanto a já utilização em obras.
PALAVRAS CHAVES: Melhoramento; reforço; solos; geomalhas; geossintéticos.
ABSTRACT
The rapid growth of the construction sector in Brazil in recent years has opened doors
to knowledge and application of new technologies. It hasn’t happened differently concerning
geosynthetics, and new technologies have been implemented in the market to meet the
construction sector’s new demands. The higher environmental concern is also influencing this
search for innovative solutions, where geosynthetics perform well and play a highly important
role on engineering applications. This work aims to present the new technology envolving
biaxial geogrids to reinforce and improve soft soils on highways and unpaved roads, therefore
demosntrating all the benefits this solution can provide, such as constructive agility,
cost/benefit, and lower environmental degradation, showing from tests carried out on the
product to application on constructions.
KEY WORDS : Improvement, reinforcement, soils, geogrids, geosynthetics.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS...............................................................................................................10
LISTA DE TABELAS..............................................................................................................12
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS..............................................................................13
1. INTRODUÇÃO...................................................................................................................16
2. OBJETIVO..........................................................................................................................17
3. REVISÃO BIBLIOGRAFICA...........................................................................................18
3.1 Geomalhas......................................................................................................................18
3.2 Polímeros (resinas) utilizados na fabricação..................................................................19
3.3 Método de fabricação das geomalhas biaxiais...............................................................20
3.4 Reforço de base de pavimentos......................................................................................21
3.5 Geomalha como melhoramento de fundação.................................................................21
3.6 Geomalha biaxial como separador.................................................................................23
3.7 Geomalha como reforço de capa base...........................................................................25
3.8 Pavimentos com revestimento primário.........................................................................27
3.9 Pavimentos com capa asfáltica......................................................................................36
3.10 Interação solo geossintético.........................................................................................39
3.11 Comparativo entre geomalha biaxial e geotêxtil..........................................................49
3.12 A norma AASHTO PP46 – 01 e outras considerações...............................................51
4. METODOLOGIA...............................................................................................................52
4.1 Cálculos de espessura da capa base...............................................................................54
4.2 Determinações do filtro.................................................................................................55
4.3 Confinamento com geotêxtil..........................................................................................55
5. RESULTADOS.....................................................................................................................56
6. CONCLUSÃO.......................................................................................................................57
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS.............................................................................58
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Tipos de geomalhas biaxiais existentes no mercado
Figura 2 – Resina de Polipropileno utilizada na produção das geomalhas biaxiais da Tensar
Corp.
Figura 3 – Processo de fabricação da Tensar Corp USA
Figura 4 - Agregado confinado pelas paredes da geomalha biaxial que trabalha como uma
peça estrutural recebendo todas as forças transmitidas pelas cargas constantes e variáveis do
pavimento.
Figura 5 – Distribuição de pressões verticais
Figura 6 – Suporte de Carga causa um efeito de um sapato de neve onde distribui as cargas e
se obtêm uma travação das partículas.
Figura 7 – Travamento do agregado nas aberturas da geomalha biaxial.
Figura 8 - Deformação Permanente no Subleito
Figura 9 – Incremento do módulo resistente
Figura 10 – Critério de ruptura de pavimentos. (a) Carregamento estático. (b) Carregamento
cíclico.
Figura 11 – Reforço de base de pavimentos não-revestidos. (a) Definições e geometria do
pavimento. (b) Solicitações no subleito no caso não-reforçado. (c) Ação do reforço.
Figura 12 – Cálculo da espessura da camada granular na base do pavimento e a economia
gerada com a inserção de reforço de geotextil: Influencia de rigidez e vida útil requerida para
a estrutura.
Figura 13. Ruptura em pavimentos não revestidos reforçados e não reforçados sujeitos ao
tráfego.
Figura 14 – Ensaios cíclicos em pavimentos com capa asfáltica e reforço de base. (a)
Deformação permanente na superfície (afundamento de trilha de roda), Ensaio 2. (b)
Deformação permanente na superfície, Ensaio 3.
Figura 15 – Correlação entre espessura de base reforçada e não-reforçada para melhor
posicionamento da geomalha biaxial como reforço.
Figura 16 – Mecanismos de interação entre solo e geomalha biaxial na resistência ao
arrancamento.
Figura 17 – Considerações no cálculo do coeficiente de deslizamento (αds). (a) Definições da
geometria do reforço. (b) Esquematização da análise da resistência passiva desenvolvida a
frente dos elementos transversais.
Figura 18 – Curvas “Força de arrancamento x deslocamentos de varias junções” obtidas por
Ochai et al. (1996).
Figura 19 – Distribuição dos deslocamentos ao longo da geomalha durante ensaio de arranque
de grande porte.
Figura 20 – Tensões normais localizadas nas proximidades da interface solo-geomalha
durante ensaio de arranque de grande porte. (a) Medidas de células de tensão total localizadas
entre membros transversais. (b) Medidas de células de tensao total posicionadas entre
membros longitudinais.
Figura 21 – Mecanismo de interferência entre membros transversais da geomalha. (a)
Interação entre solo e elementos transversais da geomalha. (b) Redução da resistência passiva
de um elemento transversal ao adentrar uma zona de perturbação.
Figura 22 – Seqüência esquemática de eventos durante arrancamento de inclusões planares:
(a) Resposta carga-derformação. (b) Sem interface de deslizamento. (c) Frente ativa de
deslizamento (rompimento de vínculo em uma direção). (d) Frente ativa e passiva de
deslizamento (rompimento de vínculo em duas direções). (e) deslizamento total.
Figura 23 – Geomalha biaxial quando utilizada como reforço supera o geotêxtil
Figura 24 – Efeito membrana em geotêxteis que trabalham como reforço.
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Principais polímeros utilizados na fabricação dos geossintéticos.
Tabela 2 – Funções do geotêxtil em rodovias não-pavimentadas associadas aos valores de
CBR do solo de subleito.
Tabela 3 – Furos de sondagem.
Tabela 4 – Espessura da capa base.
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
f – coeficiente de interação solo-reforço;
T – resistência máxima ao arrancamento da inclusão obtida em ensaio de arrancamento;
A – área plana do geossintético em contato com o solo;
- tensão normal atuante no reforço;
αb – coeficiente de aderência;
ās – porcentagem de área do geossintético disponível para desenvolvimento do atrito de
interface solo-inclusão (para geotêxteis, ās = 1);
δ – ângulo de atrito de interface solo-geossintético;
Φ´- ângulo de atrito interno efetivo do solo;
F1 – é o fator de escala;
F2 – fator de forma;
Ϭ´b – resistência passiva desenvolvida pelo solo a frente dos elementos transversais;
Ϭ´n – tensão normal aplicada no plano do geossintético;
āb – fração da largura de geossintético disponível para o desenvolvimento da resistência
passiva;
B – espessura do elemento da geomalha;
αds – coeficiente de deslizamento;
ᵠ - ângulo de atrito do solo;
αb – coeficiente de aderência;
ās – porcentagem de área do geossintético disponível para desenvolvimento do atrito de
interface solo-inclusão (para geotêxteis, ās = 1);
S – espaçamento entre membros transversais;
Km – quilômetros;
mm – milímetros;
cm – centímetro;
Kg – quilogramas;
KPa – quilopascal;
KN – quilonewton;
m – metros;
m² - metro quadrado;
m³ - metro cúbico;
F – furo de sondagem;
E – módulo de resistência do subleito;
σpII – tensão de escoamento II;
σpI – tensão de escoamento I;
σ – tensão de arranque;
σpR – carga residual de arranque;
PP – polipropileno;
CBR – indice de suporte California;
ESAL – equivalent single axle load;
R – reforçado;
N – não-reforçado;
NN – Número de ciclos em situação não-reforçada;
NR – Número de ciclos em situação reforçada;
h´0 - camada de base sem o reforço;
pc - pressão interna dos pneus;
∆h - espessura da camada de base;
r - profundidade;
δv - deslocamento vertical;
PB - empuxo horizontal;
PL - resistência lateral passiva;
Su – Resistência não-drenada ao cisalhamento do solo de subleito;
16
1. INTRODUÇÃO
Segundo Trichês (2004) e Bernucci (2004) a maioria dos pavimentos são classificados
como flexíveis, sendo estruturalmente formados por sistemas compostos de revestimentos
asfálticos e camadas granulares ou de solos assentados sobre um subleito. Esses subleitos são
constituídos de solos naturais existentes ou resultantes dos trabalhos de terraplenagem. O
comportamento dos solos e materiais granulares pode ser considerado quase elástico,
apresentando algum caráter de plasticidade.
Tem-se observado que o emprego de camadas granulares diretamente sobre subleitos
de baixa capacidade de suporte, ou mal compactados, pode levar aos problemas de redução de
espessura e da resistência da camada granular pela cravação ou “agulhamento” do material
granular no subleito ou na camada final de terraplenagem, decorrente da repetição de
solicitação de trafego, que também promove, em presença de água, ascensão do solo plástico
para os vazios da camada granular por bombeamento e problemas de heterogeneidade do
estado da camada granular, decorrente de problemas nos serviços de compactação da camada
granular, devido à baixa capacidade de suporte do subleito, e resulta em menor densificação
da parte inferior da camada granular compactada, que fica em contato com o subleito. Isto
esta associado ao fato de solos de baixa capacidade oferecerem baixa resistência ao
deslocamento lateral dos agregados. Tem-se então, que o fundo ou a parcela inferior da
camada granular irá trabalhar com menores valores de módulo de resistência.
A combinação desses problemas pode levar, principalmente, a manifestação das
seguintes patologias na estrutura do pavimento:
• afundamento de trilha de roda, e/ou;
• trincamento por fadiga do revestimento.
Uma das tecnologias disponíveis no meio rodoviário para melhorar (controlar),
reforçar ou mesmo reduzir a um mínimo a manifestação dessas patologias, esta na utilização
de geossintéticos como camada de reforço e melhoramento de base.
Além disso, o emprego de geossintéticos pode reduzir espessuras de projetos de
camadas granulares, e/ou aumentarem a vida/período de projeto do pavimento e também
trabalhar como elemento separador e filtrante e elemento de reforço e melhoramento.
17
2. OBJETIVO
Esta pesquisa tem por objetivo apresentar os conceitos básicos da geomalha biaxial e
avaliar, através de um estudo de caso a eficiência do uso de geomalhas biaxiais de
polipropileno extrudadas sendo utilizadas como reforço e melhoramento de pavimentos,
apresentando suas características e comparando com métodos tradicionais de pavimentos sem
reforço.
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3.3 Método de fabricação das geomalhas biaxiais
As geomalhas são produzidas a partir da extrusão da resina de PP, que se inicia como
uma lâmina polimérica com um padrão uniforme e controlado de agulhamento previamente
perfurados. A lâmina previamente perfurada é enviada para cima e para baixo por uma série
de rodas, girando cada uma delas mais rápido que a anterior, de tal maneira que induzem
esforços longitudinais na lâmina remanescente, agora chamada de costela. Estes esforços
fazem com que as costelas se deformem e estirem na direção do movimento. Na Figura 3
pode-se ver todo este processo. Nas geomalhas biaxiais são perfurados quadrados nas lâminas
de polipropileno, as quais se estiram longitudinalmente (usando rodas) e em seguida
transversalmente (usando um esticador), assim formando aberturas quase quadradas ou
retangulares. Ao ser feito este processo, incrementa-se a resistência a ambas as direções.
Figura 3 – Processo de fabricação da Tensar Corp USA.
Fonte: Adaptado de Tensar Corp. (2006).
Folha de polímero
Folha Puncionada Malha uniaxial
Malha biaxial
21
3.4 Reforço de base de pavimentos
O estudo do reforço de base de obras viárias pode ser dividido em duas vertentes:
pavimentos com revestimento primário e pavimentos com revestimentos flexíveis (asfalto) ou
rígidos (concreto). Os mecanismos de solicitação do reforço e os benefícios que este traz a
essas estruturas são de certa forma, parecidos. A grande diferença entre rodovias com
revestimento primário e capa asfáltica é a profundidade admissível para as marcas de trilhas
de rodas. Isto é decisivo para as diferenças entre os mecanismos de solicitação do reforço
nessas estruturas.
3.5 Geomalha como melhoramento de fundação
As fundações com baixos índices de suporte de cargas (fundações pobres ou solos
moles) representam um problema freqüente na construção de pavimentos. A fundação que
falhe conduzirá a uma deterioração rápida de sua estrutura, isto é visível quando uma carga é
aplicada diretamente sobre o pavimento. Nesse momento as partículas individuais das
camadas granulares (aterro) oscilam e rompem à parte superior da fundação a qual transfere
para a parte superior completando os vazios formados, este mecanismo é conhecido como
“bombeamento”. Ainda que estes movimentos possam ser bastantes pequenos o
“bombeamento” pode causar contaminação da camada de agregado (aterro) e uma grande
redução de sua resistência a fricção, a capacidade portante diminui e o agregado se move
lateralmente criando sulcos ou “buracos” na superfície. Tradicionalmente, os subleitos pobres
ou contaminados por efeito do “bombeamento” foram removidos e substituídos com uma
camada de agregado impostada ou estabilizadas quimicamente. Ambas as opções são
custosas tanto em dinheiro como em tempo, em especial compradas com a solução de
geomalhas biaxiais.
Ao instalar uma geomalha biaxial entre a fundação e o material de melhoramento, as
partículas do aterro penetram nas aberturas da geomalha biaxial e reduz a oscilação,
movimentos laterais e o efeito de “bombeamento”. Este entrelaçado mecânico também
dispersa forças verticais sobre a geomalha, permitindo que se forme um arco sob a carga
aumentando sua capacidade portante, a vida útil da fundação e reduzindo a espessura de
material de melhoramento requerido. Em resumo, a geomalha trabalha como peça estrutural
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3.6 Geomalha biaxial como separador
As geomalhas biaxiais podem funcionar como um separador, posto que nem sempre
seja necessário o emprego de uma superfície plana, como um geotextil, que previne à
contaminação de material da base.
Na Interface entre duas capas de agregado granular, como o subleito e a base, a
geomalha previne a contaminação entre os dois materiais e assegura que as espessuras de
desenho mantenham-se durante a vida útil da via. A geomalha ademais permite o livre fluxo
de água para fora da estrutura.
Figura 6 – Suporte de Carga causa um efeito de um sapato de neve onde distribui as cargas e
se obtêm uma travação das partículas.
Fonte: Adaptado de Tensar (2006).
Uma vez alcançado o entrelaçado mecânico entre agregado e geomalha as pressões
aplicadas se reduzem, devido ao efeito do “sapato de neve” (Figura 6) gerado pela geomalha:
o sapato de neve é constituído de aberturas e, no entanto a neve não passa sobre ele.
O sapato de neve permite a um homem caminhar sobre um material de baixa
resistência que não poderia suportar seu próprio peso, devido que este distribui a carga em
uma área muito maior. As geomalhas rígidas trabalham de forma muito similar sobre uma
fundação de baixa qualidade, ou seja, um solo mole.
A carga é distribuída sobre uma área maior na fundação, reduzindo a pressão aplicada
diretamente sobre ela e, portanto reduzindo a tendência do material de fundação migrar para a
capa de agregado (capa de melhoramento).
Suporte de carga efeito de sapato de neve.
24
Pode se considerar este efeito similar ao funcionamento de uma peneira. Uma peneira
de meia polegada não permite que todas as partículas menores a ½ polegada passem, ao
menos que a peneira seja vibrada. As geomalhas travam se com o agregado e inibem o
movimento na interface com o subleito. O movimento é a causa que a subleito sofra
deslocamentos laterais e o efeito de “bombeamento”.
Figura 7 – Travamento do agregado nas aberturas da geomalha biaxial.
Fonte: Adaptado de Koerner (1999).
O corpo de Engenheiros da Marinha dos Estados Unidos (U.S. Army Corps of
Engineers) (Webster 1992) encontrou que o reforço com geomalhas biaxiais dentro da
estrutura de pavimentos “Não apresentou nenhuma quantidade significativa de agregado
proveniente do subleito, dentro da capa de base granular nas provas realizadas”. As
geomalhas biaxiais, no entanto, podem atuar como um reforço dentro da estrutura do
pavimento e adicionalmente como um separador, sempre e quando consideremos duas
situações importantes para definir o emprego ou não de um geotextil adicional:
• Quando o agregado que conforma o material de melhoramento é bem classificado e
pode atuar como filtro natural para reduzir a migração das partículas finas do subleito
para a capa melhorada, então podemos dizer que essa capa de geomalha biaxial é o
suficiente para prover esta separação.
• Pelo contrário, quando o agregado que conforma o material da capa base não é bem
classificado e a migração de finos para ela poderá se apresentar, é necessário o
emprego de um geotêxtil de filtro que deverá ser usado em conjunto com a geomalha
25
biaxial de reforço, sendo que este geotêxtil somente terá a função de filtragem e não
de reforço.
3.7 Geomalha como reforço de capa base
Esta função desenvolve-se através da “interação” (travamento) do agregado da
subleito com a geomalha (Figura 7), o que da lugar a quatro mecanismos de reforço
derivados:
1º - Contenção lateral das partículas:
Em geral, as cargas veiculares de uma estrada criam um movimento de deslocamento
lateral de agregado na parte inferior da capa do subleito, o que, por sua vez gera
deformações verticais (Figura 8).
Figura 8 - Deformação Permanente no Subleito.
Fonte: Adaptado de Koerner (1999).
Em contrapartida, ao colocar uma geomalha no subleito granular, cria-se uma
interação entra o subleito e a geomalha biaxial (enquanto as partículas tratam de deslocar-se
SUBLEITO
Roda
26
SUBLEITO
lateralmente) onde o subleito granular transmite esforços a geomalha e, dado que esta tem a
capacidade de resistir as cargas horizontais, geram-se deformações laterais muito menores no
sistema e, no entanto, a deformação vertical resulta inferior.
2º - Incremento do módulo resistente do Subleito O incremento no confinamento lateral leva a um incremento nas tensões principais de
agregado (ver Figura 5) pelo que este se volta mais rígido e as deformações verticais resultam
menores. Além disto, este incremento no módulo do solo da lugar a menores deformações
dinâmicas verticais recuperáveis da superfície da estrada.
Figura 9 – Incremento do módulo resistente.
Fonte: Adaptado de Koerner (2006).
3º - Melhoramento da distribuição de carga sobre a fundação:
O incremento no módulo do subleito também significa que esta capa ajudará melhor a
distribuição de carga sobre o subleito e a fundação (Figura 5). Portanto, reduzem-se as tensões
verticais debaixo da linha central da roda, o que da lugar a deformações verticais menores em
cada capa.
4º - Diminuição do estado de carga da fundação:
Roda
Geomalha
27
As tensões de corte que geralmente transmite o material do subleito são agora
absorvidas pela geomalha biaxial. Portanto, a fundação chega a tensões de corte menores. Se
combinarmos isto com tensões verticais menores, o estado tensional da fundação é reduzido
(ao igual que as deformações verticais).
3.8 Pavimentos com revestimento primário
Os geotêxteis foram os primeiros geossintéticos a serem utilizados como reforço de
base de pavimentos com revestimento primário. Eles são uma excelente solução,
principalmente, para a construção de estradas em que o solo de subleito possui baixa
capacidade de suporte. Além de reforço, os geotêxteis têm função de separação, evitando que
o solo granular da camada de base seja contaminado pelos finos do subleito. A atuação do
geotêxtil como reforço e separação está ligada ao valor do CBR do solo do subleito.
O desempenho do geotêxtil como reforço é maior quanto menor o CBR do subleito da
rodovia. Koerner (1999) fornece uma tabela que associa a função exercida pelo geotêxtil ao
CBR do solo de subleito (Tabela 2). Analisando a Tabela 2, percebe-se que, segundo Koerner
(1999), o geotêxtil tem apenas a função de separação em subleitos mais resistentes.
Estabilização é um estado intermediário em que, além de separação e filtração, há uma
pequena e não quantificada parcela de reforço (KOERNER, 1999).
Função do geotêxtil CBR (ASTM D 1883)
Não inundado Inundado Separação ≥ 8 ≥ 3
Estabilização 3 - 8 1 - 3 Reforço e separação ≤ 3 ≤ 1
Tabela 2 – Funções do geotêxtil em rodovias não-pavimentadas associadas aos valores de
CBR do solo de subleito.
Fonte: Adaptado de Koerner (1999).
A capacidade de suporte do solo de subleito está diretamente ligada a ocorrência de
marca de trilhas de roda na superfície do pavimento. Ou seja, a profundidade das marcas de
trilhas de roda depende da deformação ocorrida no subleito. Em rodovias com revestimento
primário, marcas de trilhas de rodas da ordem de dezenas de milímetros de profundidade não
28
comprometem seriamente o seu uso (TRICHÊS; BERNUCCI, 2004). Entretanto, é necessário
adotar um critério para estabelecer um estado limite de utilização da rodovia.
Uma definição simples é adotada pela observação do comportamento típico de
pavimentos não-revestidos submetidos a ensaios de carregamento, caracterizando assim, a
plastificação do material ensaiado (JEWELL, 1996). A determinação deste ponto,
graficamente, é apresentada na Figura 10.
Hammitt (1970, apud KOERNER, 1999) adota o valor limite de deslocamento vertical
(δv) de 75 mm como ponto de plastificação. Adimensionalizando, conforme a Figura 10, os
maiores incrementos de deslocamentos começam a ocorrer com 0,2 ≤ ( δv / R ) ≤ 0,5
(JEWELL,1996).
Giroud e Han (2004) enumeram quatro mecanismos responsáveis pelo surgimento de
deformações na superfície do pavimento: compactação da camada de base e/ou do subleito
devido a solicitações de tráfego; ruptura por capacidade de carga na camada de base ou
subleito devido a tensões normais e cisalhantes induzidas pelo tráfego inicial; ruptura por
capacidade de carga na camada de base ou subleito após repetidas solicitações de tráfego
resultante de uma deterioração progressiva do material da camada de base, redução da
habilidade da camada de base em distribuir as solicitações de tráfego ao subleito, ou um
decréscimo na resistência do solo do subleito devido ao surgimento de pressões neutras
durante a construção; e deslocamento lateral dos materiais da camada de base do subleito
devido a acumulação de incrementos de deformações plásticas induzidas por cada ciclo de
carregamento.
29
Figura 10 – Critério de ruptura de pavimentos. (a) Carregamento estático. (b) Carregamento
cíclico. Fonte: Adaptado de Jewell (1996). Nota δv – Deslocamento vertical; R – Raio da área
de carregamento; p – Carregamento; Su – Resistência não-drenada ao cisalhamento do solo de
subleito; N – Número de ciclos de carregamento; Nr – Número de ciclos de carregamento de
ruptura ao sistema.
No reforço de base de pavimentos, a inclusão pode ser posicionada tanto a meia altura
da camada de base, quanto na interface desta com o subleito. No primeiro caso, geomalhas
biaxiais são utilizadas enquanto que no segundo, pode-se utilizar tanto geomalhas biaxiais
quanto geotêxteis. Geomalhas são mais efetivas como reforço em relação ao geotêxteis pela
interação que ocorre entre o geossintético-solo e o contato solo-solo existente na abertura de
malha.
Entretanto, o geotêxtil é mais eficiente em relação à geomalha biaxial como elemento
de separação entre a camada de base e o subleito. Esta função de separação é importante, pois
evita a contaminação do material granular utilizado na camada de base pelos finos do subleito.
Independentemente da posição da inclusão, espera-se que a inclusão melhore o
desempenho da estrutura. Isto pode ser traduzido como aumento da vida útil do pavimento,
retardamento do desenvolvimento e diminuição do número de trincas na superfície da
rodovia, diminuição da espessura da camada de base para um mesmo volume de tráfego em
relação à situação não-reforçada, ou combinação do aumento do volume de tráfego com
diminuição da espessura da camada de base. Giroud e Han (2004) afirmam que o uso de
material na camada de base de qualidade inferior é outro potencial beneficio com a utilização
de geossintéticos.
Os mecanismos de reforço quando o geossintético é posicionado na interface base-
subleito são a prevenção de cisalhamento local no subleito, maior distribuição de cargas,
redução ou reorientação de tensões cisalhantes na interface base-subleito e efeito membrana
(GIROUD; NOIRAY, 1981; GIROUD; HAN, 2004; JEWELL, 1996). Segundo Giroud e
Noiray (1981), o reforço posicionado entre a camada de base e o subleito previne o
surgimento e desenvolvimento de zonas locais de cisalhamento. Isto permite que o subleito
suporte tensões próximas do limite plástico como se estivesse sendo solicitado dentro de seu
limite elástico.
O segundo mecanismo de reforço mencionado, a distribuição de carga, se dá pela
melhor distribuição do carregamento que chega ao subleito. Isto se traduz pelo ângulo de
30
espraiamento que é maior para estruturas reforçadas em comparação com similares não-
reforçadas (GIROUD; AH-LINE, BONAPARTE, 1985). Portanto, a máxima tensão normal
atuante no subleito é reduzida.
A redução ou reorientação de tensões cisalhantes na interface base-subleito ocorre com
a absorção pelo geossintético de significativa parcela dos esforços cisalhantes que seriam
transmitidos ao subleito devido ao tráfego (JEWELL, 1996; MILLIGAN ET AL., 1989). A
Figura 11 apresenta os mecanismos de solicitação no reforço e distribuição de carregamentos
considerados na analise proposta por Jewell (1996). As tensões de cisalhamento transmitidas
pela camada de base ao subleito podem ser orientadas tanto para o exterior quanto para o
interior da seção transversal do pavimento. Quando estão orientadas para o exterior, a
capacidade de carga do subleito é diminuída. Ao contrário, quando orientadas para o interior,
a capacidade de carga do subleito sofre um acréscimo. Assim, o empuxo horizontal (PB)
desenvolvido na camada granular é parcialmente suportado pela resistência lateral passiva
(PL) do solo adjacente (Figura 11b). O equilíbrio de forcas se dá com a transmissão de
esforços para o subleito através de tensões cisalhantes na interface entre as duas camadas.
Com o reforço posicionado nesta interface, o subleito consegue resistir às reduzidas tensões
cisalhantes que são transmitidas a ele, e a capacidade de suporte desse solo pouco resistente é
mantida (Figura 11c) (JEWELL, 1996).
Além do maior ângulo de espraiamento, a inclusão na superfície do subleito atua
distribuindo tensões cisalhantes para fora da área carregada B´, conforme ilustrado na Figura
11c. Porém, Jewell (1996) afirma que é prudente desconsiderar essa ultima parcela de ajuda
na distribuição de carga durante o dimensionamento com geotêxtil, limitando a tensão
cisalhante que pode ser mobilizada.
Desse modo, segundo Giroud e Han (2004) e Jewell (1996), as tensões cisalhantes
induzidas pelo tráfego tendem a ser orientadas para o exterior, prejudicando a capacidade de
carga do subleito. O embricamento entre o material granular da camada de base e a geomalha
biaxial, através de sua abertura de malha, resulta em dois benefícios. O primeiro é a redução
ou eliminação do movimento lateral do material granular da camada de base. Como
conseqüência disto, não há a transmissão de tensões de cisalhamento para o subleito. O
segundo benéfico é que a porção inferior da camada de base se torna uma superfície rugosa
devido às partículas de solo granular que penetram no interior da malha da geomalha biaxial,
gerando tensões cisalhantes orientadas para o interior, o que contribui para um aumento na
capacidade de carga do subleito (GIROUD; HAN, 2004).
31
(a)
(b)
(c) Figura 11 – Reforço de base de pavimentos não-revestidos. (a) Definições e geometria do
pavimento. (b) Solicitações no subleito no caso não-reforçado. (c) Ação do reforço. Adaptado
de Jewell (1996).
32
O efeito membrana é função do modulo de rigidez, da deformação do geossintético e
da profundidade das marcas de trilhas de rodas. Este tipo de solicitação ocorre apenas com
altos valores de profundidade das marcas de trilha de rodas. Jewell (1996) afirma que o
benéfico de geotêxteis atuando através do efeito membrana é significativo somente depois de
deslocamentos verticais da ordem de δv /2B > 0,20. Segundo Giroud, Ah-Line e Bonaparte
(1985), o efeito membrana é desprezível para trilhas de roda (δv) de 75 mm de profundidade, e
contribui com apenas 10% na melhora do sistema com um deslocamento vertical (δv) de 150
mm.
Para a utilização de geomalhas biaxiais inseridas no interior da camada de base, Girou
e Han (2004) listam os seguintes benefícios: prevenção do movimento lateral do solo da
camada de base, reduzindo as trilhas de rodas na superfície do pavimento; aumento da rigidez
do material da camada de base, reduzindo as deformações verticais e aumentando a
distribuição de carregamentos, além de reduzir a tensão vertical máxima no subleito; redução
das tensões cisalhantes transmitidas da base para o subleito, aumentando a capacidade de
carga deste.
Estes benefícios também ocorrem em pavimentos com reforço de base e presença de
capa asfáltica em sua superfície. Além disso, em pavimentos com revestimento primário, a
utilização de geomalhas biaxiais previne rupturas por cisalhamento na camada de base; o
efeito membrana faz com que as solicitações de tráfego sejam suportadas após significantes
afundamentos por trilhas de rodas quando o trafego é canalizado; prevenção do surgimento de
fissuras na porção inferior da camada de base, minimizando a contaminação desta pelos finos
do solo de subleito à medida que a camada granular deforma com o carregamento e prevenção
da perda de agregados da camada de base para dentro do subleito.
Giroud e Noiray (1981) desenvolveram um método semi-empírico de
dimensionamento de rodovias com revestimento primário reforçadas com geotêxtil
posicionado na interface base-subleito. Esta proposta baseia-se no efeito membrana como
mecanismo de solicitação do reforço. Portanto, necessita de grandes deslocamentos para que o
método seja válido. Este método considera o volume de tráfego, força aplicada pelas rodas
dos veículos, pressão dos pneus, resistência do solo de subleito, profundidade das marcas de
trilhas de rodas e influência do reforço de geossintético no modo de ruptura de rodovia ou
área com revestimento primário. O procedimento do método consiste no cálculo da espessura
da base com e sem reforço. A diferença entre elas é a espessura de material granular que será
33
economizado com a utilização do geossintético, sendo possível então realizar uma analise
comparativa de custos.
A Figura 12 é o gráfico que reúne a solução do método para um eixo de 80 kN (P = 80
kN), marcas de trilhas de rodas de 30 cm de profundidade (r = 0,3 m) e pressão interna dos
pneus de 480 kPa (pc=480 kPa). Esta figura é bastante ilustrativa por mostrará influência do
módulo de rigidez e do efeito do tráfego em função do CBR do subleito. O gráfico original
também mostra a influência da deformação do geotêxtil na espessura final da camada de base.
Analisando a Figura 12, percebe-se a grande influência da rigidez do geotêxtil na espessura de
material granular economizado para subleitos pouco resistentes, principalmente para valores
de CBR menores que um. Por exemplo, o primeiro passo do método é calcular a espessura
necessária para a camada de base sem o reforço (h´0). Para um solo de subleito com CBR
igual à unidade e pavimento com vida útil de 1.000 ciclos de passagem do eixo padrão, a
espessura necessária seria de 45 cm(linha pontilhada preta na Figura 12). Ao utilizar um
geotêxtil de módulo 100 kN/m, a redução da espessura da camada de base(∆h) seria de 17
cm(linha pontilhada cinza na Figura 12).
Com uso de um geotêxtil de módulo 450 kN/m, essa economia será de 29 cm(linha
pontilhada vermelha na Figura 12). Ou seja, com o primeiro geotêxtil (100 kN/m) a economia
de material seria de 38%. Com um geotêxtil mais rígido (450 kN/m) a redução na espessura
seria ainda maior, com 64%.
O estudo de Webster e Watkins (1977, apud KOERNER, 1999) ilustra o efeito da
rigidez do reforço na vida útil de pavimentos (Figura 13). Os autores mostram que a utilização
de geossintético aumenta o número de ciclos de carregamento antes da ruptura do pavimento,
e que inclusões com maior rigidez elevam ainda mais o tempo de vida útil do pavimento
(Figura 13).
34
Figura 12 – Cálculo da espessura da camada granular na base do pavimento e a economia
gerada com a inserção de reforço de geotextil: Influencia de rigidez e vida útil requerida para
a estrutura. Fonte: Adaptado de Giroud e Noiray (1981).
Figura 13. Ruptura em pavimentos não revestidos reforçados e não reforçados sujeitos ao
tráfego. Fonte: Webster e Watkins (1997 apud Jewell, 1996)
35
Além da rigidez do geossintético para pequenas deformações, propriedades como o
módulo de estabilidade da abertura de malha de geomalhas biaxiais, espessura dos elementos,
formato da seção transversal dos elementos da geomalha, resistência de junta e dimensões da
abertura de malha tem influência no desempenho do geossintético como reforço de base
(WEBSTER, 1993; COLLIN; KINNEY; FU, 1996). Vale salientar que esses parâmetros são
investigados há anos na literatura por meio de ensaios de arrancamento no estudo dos
mecanismos de interação solo-reforço.
Adicionalmente a esses parâmetros da geomalha biaxial que influenciam o seu
desempenho como reforço, sabe-se que a partir de uma certa espessura da camada de base, o
geossintético não consegue exercer efetivamente esta função. Quando isto ocorre, a inclusão
deve ser posicionada no interior da camada de base.
Giroud e Noiray (1981) propuseram método semi-empírico de dimensionamento de
rodovias sem revestimento asfáltico reforçadas com geotêxteis na interface base subleito. A
proposta de Giroud, Ah-Line e Bonaparte (1985) possui características similares ao de Giroud
e Noiray (1981), porém aplica-se somente a geomalhas. Estes estudos calculam a espessura da
camada de base sem o reforço e, posteriormente, a redução da espessura de material granular
que a inclusão promove. Jewell (1996) propôs um método analítico de dimensionamento,
consistente com métodos empíricos como o de Giroud e Noiray (1981) e Giroud, Ah-Line e
Bonaparte (1985). O método se baseia na interação entre capacidade de carga e transmissão
de tensões cisalhantes, introduzindo as propriedades da camada granular na analise. Jewell
(1996) afirma que os resultados de métodos empíricos anteriores, como o de Giroud e Noiray
(1981), correspondem a média do intervalo para as propriedades de materiais granulares
típicos. Porém, esse intervalo pode ser bastante grande. Além disso, algumas incertezas ainda
permaneçam como o comportamento quanto à fadiga de pavimentos reforçados com
geotêxteis de rigidez insuficiente, ou a análise da capacidade de carga do material granular da
base sob o carregamento cíclico do tráfego.
Posteriormente, Giroud e Han (2004) também propuseram um método analítico que
foi calibrado com resultados de experimentos em campo e em laboratório disponíveis na
literatura. Ao contrário das propostas de Giroud e Noiray (1981) e Giroud, Ah-Line e
Bonaparte (1985), o método de Giroud e Han (2004) utiliza apenas uma equação para o
calculo da espessura da camada de base reforçada com geomalha. Adicionalmente, este
método permite o calculo também para situações não-reforçadas e reforçadas com geotêxtil,
apenas utilizando valores apropriados dos parâmetros relevantes para cada situação
36
(GIROUD; HAN, 2004). Além disso, esta proposta considera fatores que influenciam no
calculo da espessura da camada de base com a abertura de malha da geomalha biaxial e a
rigidez do geossintético no seu plano de fabricação. Estes fatores são considerados
adicionalmente aos parâmetros já considerados nos métodos anteriores.
3.9 Pavimentos com capa asfáltica Em pavimentos que possuem revestimento betuminoso ou de concreto, marcas de
trilhas de rodas (δv) de alguns centímetros de profundidade já são bastante prejudiciais ao
tráfego desejado. Nestas estruturas, a ruptura é caracterizada para afundamentos (δv) em torno
de 20 e 25 mm (TRICHÊS; BERNUCCI, 2004).
Haas (1984, apud KOERNER, 1999), Abd El Halim, Haas e Chang (1987) realizaram
ensaios de laboratório em pista de testes de grande escala (4 metros de comprimento, 2,40
metros de largura e 2 metros de profundidade), com carregamentos cíclicos aplicados por
meio de placa circular com 300 mm de diâmetro. Na primeira série de ensaios foram
estudadas seções reforçadas e não-reforçadas, variando as condições do subleito entre
saturado (situação de menor resistência) e seco (maior resistência). O reforço foi benéfico
para os dois casos. Para a segunda série de testes, os autores analisaram aspectos na melhora
do desempenho do pavimento causada pelo reforço. Dentre estes, a vida útil do pavimento
asfáltico é significativamente melhorada nas seções reforçadas em relação as não reforçadas
(Figura 14a). Com o critério de ruptura de 20 mm, a seção não reforçada 1 suporta em torno
de 20 mil ciclos de carregamento e a não reforçada 2, 140 mil ciclos (Figura 14a). Com
utilização da inclusão, as seções reforçadas 1 e 2 suportam aproximadamente 320 mil ciclos
de carregamento (Figura 14a).
37
Figura 14 – Ensaios cíclicos em pavimentos com capa asfáltica e reforço de base. (a)
Deformação permanente na superfície (afundamento de trilha de roda), Ensaio 2. (b)
Deformação permanente na superfície, Ensaio 3. Fonte: Hass (1984, apud KOERNER, 1999)
e Abd El Halim, Hass e Chang (1987). Nota: R – reforçado; N – não-reforçado; NN – Número
de ciclos em situação não-reforçada; NR – Número de ciclos em situação reforçada.
Na serie de ensaios “3”, os autores concluem que 150 mm da seção reforçada (150 mm
R na Figura 14b) equivalem a, aproximadamente, 250 mm da seção não reforçada (250 mm N
na Figura 14b). Ou seja, a primeira suporta 80.000 ciclos até atingir o critério de ruptura de
200 mm de deformação permanente na superfície do pavimento, enquanto que a seção não-
reforçada com 250 mm de espessura suporta 92.000 ciclos. Além disso, pode-se perceber na
Figura 14b que o pavimento não-reforçado com 200 mm de camada base, suporta 34.000
ciclos de carregamento, enquanto que a vida útil do pavimento de 1450 mm de espessura de
base reforçada é 135% maior (80.000 ciclos).
Carroll, Walls e Hass (1987) utilizaram os dados dos experimentos citados acima e
fizeram uma correlação entre a espessura da base reforçada e não-reforçada, com a inclusão
localizada na interface base-subleito ou inserida na camada de base (Figura 15). Essa
correlação mostrou-se linear para os dois casos. Pode-se concluir, pela Figura 15, que há uma
determinada espessura a partir da qual o geossintético deve ser inserido no interior da camada
de base para exercer efetivamente a função de reforço. Para a geomalha biaxial e os materiais
de base e subleito utilizados, essa espessura é de 250 mm (Figura 15).
38
Kinney, Abbott e Schuler (1998) afirmam que o efeito de geomalhas biaxiais como
reforço é mínimo em camadas de base de espessura maior que, aproximadamente, 40,6
centímetros.
Figura 15 – Correlação entre espessura de base reforçada e não-reforçada para melhor
posicionamento da geomalha biaxial como reforço. Fonte: Carrol, Walls e Hass (1987).
Chan, Barksdale e Brown (1989) afirmam que, para os materiais estudados, a
geomalha biaxial promove maiores benefícios ao desempenho do pavimento que o geotextil
quando inseridos no interior da camada granular de base, mesmo a primeira possuindo rigidez
menor que o último. Isto se deve a interação do material granular com a geomalha através de
sua abertura de malha. Huntinggton e Ksaibati (2000, apud TRICHÊS; BERNUCCI, 2004)
afirmam que o uso da geomalha aumenta a rigidez da camada de base granular e reduz a sua
espessura em 35%. Chang, Wang e Wang (1998) realizaram ensaios cíclicos em laboratório
com geomalha biaxial inserida na interface base-subleito solicitada por carga de 200 mm de
diâmetro. Os autores concluem que o geossintético, posicionado em profundidades maiores
que uma vez a área de carregamento, não atua efetivamente como reforço e sim somo um
melhoramento. Além disso, eles também confirmam que a eficiência da geomalha biaxial no
reforço esta ligada a sua rigidez e não a resistência a tração. Dondi (1994) estudou um trecho
de rodovia reforçada com geomalha e concluiu que o geossintético não sofre grandes
solicitações, em torno de 5 kN/m, mas para ser mobilizada necessita possuir grande rigidez.
39
Ele afirma também que quanto maior a rigidez da geomalha biaxial, maior a resistência a
fadiga do pavimento, resultando num aumento da vida útil da estrutura de 100 a 150.
3.10 Interação solo geossintético
O mecanismo de interação entre solo e geotêxteis na resistência ao arrancamento deve-
se ao atrito que se desenvolve no contato entre os dois materiais. Em geomalhas biaxiais, além
da contribuição do atrito de interface, o cisalhamento no contato solo-solo no interior da
malha do reforço e o mecanismo de resistência passiva também contribuem na resistência
máxima ao arrancamento. A resistência passiva se desenvolve no solo a frente dos elementos
transversais, devido à ação de corte destes. A Figura 14 apresenta os componentes do
mecanismo de resistência ao arrancamento de uma geomalha.
Os métodos de dimensionamento de estruturas de solo reforçado disponíveis no meio
técnico, em geral, utilizam coeficientes que tentam refletir esta interação solo-reforço. Devido
a sua simplicidade, o coeficiente de interação “f” é o mais utilizado em projetos. Este
coeficiente não distingue a parcela de atrito de interface da resistência passiva e incorpora,
empiricamente, o grande número de parâmetros que interferem na resistência ao arranque. Ou
seja, ele não permite a avaliação individual destes fatores no estudo da interação solo-
geossintético (KAKUDA; BUENO; TEIXEIRA, 2006; TEIXEIRA, 2003). A Equação 1
apresenta o calculo de “f”.
Figura 16 – Mecanismos de interação entre solo e geomalha biaxial na resistência ao
arrancamento. Fonte: Adaptado de Koerner (1999).
40
2 · · · · 1
Em que: f – coeficiente de interação solo-reforço;
T – resistência máxima ao arrancamento da inclusão obtida em ensaio de arrancamento;
A – área plana do geossintético em contato com o solo;
- tensão normal atuante no reforço;
ᵠ - ângulo de atrito do solo;
Jewell (1996) define dois coeficientes de interação solo-reforço, ou seja, o coeficiente
de deslizamento (αds) e o coeficiente de aderência (αb). O coeficiente de deslizamento (αds)
avalia a resistência ao deslizamento do solo em contato com a inclusão, ou seja:
·´
1 2
Em que:
αds – coeficiente de deslizamento;
ās – porcentagem de área cheia do geossintético (para geotêxteis tecidos e não tecidos, ās = 1);
δ – ângulo de atrito de interface solo-geossintético;
Φ´ - ângulo de atrito efetivo do solo.
Como ās é igual a um para geossintético de superfície continua como os geotêxteis, por
exemplo, o coeficiente de deslizamento resume-se a:
´ 3
O coeficiente de aderência (αb) avalia os dois principais mecanismos de transferência
de carga entre solo-reforço que são o atrito de interface e a resistência passiva do solo a frente
dos elementos transversais em geossintético de superfície descontinua:
41
·´ · ·
´´
··
2 · ·1
´ 4
Em que:
αb – coeficiente de aderência;
ās – porcentagem de área do geossintético disponível para desenvolvimento do atrito de
interface solo-inclusão (para geotêxteis, ās = 1);
δ – ângulo de atrito de interface solo-geossintético;
Φ´- ângulo de atrito interno efetivo do solo;
F1 – é o fator de escala;
F2 – fator de forma;
Ϭ´b – resistência passiva desenvolvida pelo solo a frente dos elementos transversais;
Ϭ´n – tensão normal aplicada no plano do geossintético;
āb – fração da largura de geossintético disponível para o desenvolvimento da resistência
passiva;
B – espessura do elemento da geomalha;
S – espaçamento entre membros transversais;
Para geotêxteis ās = 1 e āb = 0. A equação (5) torna-se:
´ 5
Ou seja, para geossintéticos de superfície continua, o coeficiente de aderência e o de
deslizamento são iguais. O mecanismo de transferência de carga é puramente atrativo para os
dois casos. A Figura 17 ilustra os mecanismos e as definições consideradas na análise desses
coeficientes.
Na Equação 4, o primeiro componente refere-se a contribuição do atrito de interface
entre o solo e a área sólida da geomalha biaxial. O segundo membro, a resistência passiva
desenvolvida pelo solo a frente dos elementos transversais da malha (JEWELL, 1996).
42
Entretanto, ao contrário da separação didática mostrada no cálculo de αb, ocorrem
interferências entre os mecanismos de interação solo-reforço.
(a)
Figura 17 – Considerações no cálculo do coeficiente de deslizamento (αds). (a) Definições da
geometria do reforço. (b) Esquematização da análise da resistência passiva desenvolvida a
frente dos elementos transversais. Fonte: Jewell (1996).
Segundo Farrag, Acar e Juran (1993) e Teixeira, Bueno e Zornberg (2007) o atrito de
interface em geomalhas biaxiais necessita de pequenos deslocamentos relativos para serem
mobilizados e que, este é o primeiro mecanismo a contribuir na resistência de arranque. A
resistência passiva é mobilizada com maiores deslocamentos e, por isso, se manifesta
posteriormente. Além disso, esta dirige a resistência ultima ao arranque (TEIXEIRA;
43
BUENO; ZORNBERG, 2007). Esta condição ocorre, principalmente, em geomalhas biaxiais
constituídas de elementos transversais com baixa rigidez a flexão (FARRAG; ACAR;
JURAN, 1993).
Milligan, Earl e Bush (1990) realizaram estudos foto-elásticos de arranque mostrando
que a mobilização da resistência passiva diminui o atrito entre os elementos transversais e o
solo circundante, e também do atrito de boa parte da superfície de contato dos elementos
longitudinais. Além disso, mostraram a mobilização progressiva da resistência passiva ao
longo do comprimento da geomalha biaxial e a interferência entre membros transversais.
Ochiai ET AL. (1996) realizaram ensaios de arranque de grande porte em que o
comprimento do geossintético dentro do solo era de 4,0 metros e a sobrecarga aplicada de
17,0 kPa. A Figura 18 apresenta os registros do deslocamento de sucessivas junções de uma
geomalha biaxial em areia durante ensaio, mostrando que os elementos da geomalha biaxial
não contribuem igualmente na resistência ao arranque. As junções se deslocam de maneira
desigual, com uma distribuição decrescente de deslocamentos desde o elemento mais próximo
ao ponto de aplicação da força de arranque até o mais afastado (OCHIAI et al., 1996). As
parcelas de cargas resistidas pelos elementos da geomalha biaxial serão diferentes e a ruptura
ocorre de forma progressiva, iniciando pela região do membro transversal seguinte, e assim
sucessivamente, até a região do membro mais afastado, ocorrendo então a ruptura
generalizada (TEIXEIRA,2003).
Figura 18 – Curvas “Força de arrancamento x deslocamentos de varias junções” obtidas por
Ochai et al. (1996). Fonte: adaptado de Ochai et al. (1996).
44
A Figura 19 apresenta um resultado do estudo de Teixeira, Bueno e Zornberg (2007),
que são curvas típicas de distribuição de deslocamentos para valores crescentes da força de
arranque ao longo de uma geomalha uniaxial em ensaio de arranque de grande porte. Alfaro,
Miura e Bergado (1995) e Farrag, Acar, Juran (1993) também apresentam curvas parecidas.
Analisando a figura abaixo, percebe-se que o deslocamento máximo ocorre no ponto de
aplicação da força de arranque e decresce até o final da geomalha de forma não linear,
refletindo o efeito da extensibilidade do reforço (ALFARO; MIURA; BERGADO, 1995;
FARRAG; ACAR; JURAN, 1993; TEIXEIRA; BUENO; ZORNBERG, 2007).
Figura 19 – Distribuição dos deslocamentos ao longo da geomalha durante ensaio de arranque
de grande porte. Fonte: Adaptado de Teixeira, Bueno e Zornberg (2007).
Segundo Palmeira (2004), a distribuição não-linear da capacidade de carga entre os
membros transversais de malhas extensíveis depende da combinação de carga entre a
geometria da geomalha, sua rigidez a tração e do nível de tensão aplicado.
A interação entre os elementos de uma geomalha biaxial ocorre por meio da ação de
corte sofrida pelo solo que preenche as áreas vazias do geossintético, formando regiões de
baixas tensões logo atrás de seus membros transversais. Estas regiões de perturbação afetam a
resistência passiva desenvolvida a frente dos elementos transversais posteriores,
particularmente do membro seguinte ao se aproximar ou entrar nesta região. Além de
diminuir a resistência passiva que poderia vir a se desenvolver a frente dos outros elementos
transversais, essas regiões causam alivio de tensões e, por conseguinte, o atrito do solo ao
45
longo dos elementos longitudinais e transversais diminui (PALMEIRA, 2004; TEIXEIRA,
1999; TEIXEIRA; BUENO; ZORNBERG, 2007). Ou seja, o mecanismo de resistência
passiva interfere no mecanismo de atrito de interface. Este fenômeno é mais intenso em
geomalhas biaxiais com pequena abertura de malha.
Teixeira, Bueno e Zornberg (2007) demonstraram o alívio do atrito de interface ao
longo dos membros longitudinais, além do desenvolvimento de zonas localizadas de variações
da tensão normal (Figura 20). A Figura 20a apresenta o registro de duas células de tensão total
posicionadas na porção central da abertura de malha da geomalha biaxial e a diferentes
distâncias do ponto de aplicação da força de arranque. Percebe-se que ocorre uma oscilação
entre 10 e 50 kPa na tensão normal durante o teste de arranque da geomalha biaxial. A média
das oscilações tem o mesmo valor da sobrecarga de 25 kPa aplicada no inicio do ensaio. A
distância entre picos das curvas coincide com o espaçamento entre membros transversais (32
mm) (TEIXEIRA; BUENO; ZRNBERG, 2007). A Figura 20b mostra os resultados de duas
células de tensão total a 150 mm do ponto de aplicação da força de arranque. Uma foi
posicionada entre dois membros longitudinais, enquanto que a outra, diretamente em cima de
um elemento longitudinal. Neste caso, o valor médio das oscilações da tensão normal é menor
que a sobrecarga aplicada. Isto evidência a interferência entre elementos transversais e
longitudinais, que gera o alívio da força de atrito de interface ao longo dos membros
longitudinais (TEIXEIRA; BUENO; ZORNBERG, 2007).
Palmeira (2004) afirma que, além do aumento a magnitude das tensões, ocorre
também à rotação das tensões principais do solo a frente dos membros transversais devido à
mobilização de sua resistência passiva. A Figura 21 apresenta a proposta de Palmeira (2004)
da interação solo-reforço durante ensaio de arranque, além da curva força-deslocamento de
um elemento transversal isolado e do elemento seguinte adentrando a região do solo
perturbado pelo primeiro. Verifica-se a redução da capacidade de carga deste ultimo
elemento.
46
Figura 20 – Tensões normais localizadas nas proximidades da interface solo-geomalha
durante ensaio de arranque de grande porte. (a) Medidas de células de tensão total localizadas
entre membros transversais. (b) Medidas de células de tensão total posicionadas entre
membros longitudinais. Fonte: Adaptado de Teixeira, Bueno e Zornberg (2007).
Figura 21 – Mecanismo de interferência entre membros transversais da geomalha. (a)
Interação entre solo e elementos transversais da geomalha. (b) Redução da resistência passiva
de um elemento transversal ao adentrar uma zona de perturbação. Fonte: Adaptado de
Palmeira (2004).
Na geomalhas biaxiais, que são materiais extensíveis, a dificuldade no entendimento
do fenômeno aumenta, pois este mecanismo de interferência entre membros transversais
ocorre de forma progressiva ao longo do comprimento da inclusão no sentido do arranque.
47
Segundo Palmeira (2004), a distribuição da capacidade de carga entre os membros
transversais de malhas extensíveis é não-linear e depende da combinação da geometria da
malha, sua rigidez a tração e do nível de tensão aplicado.
Abramento e Whittle (1995), em uma tentativa de elucidar o mecanismo de arranque,
identificam quatro fases sucessivas de resposta de inclusões planares de superfície continua
durante o ensaio de arranque (Figura 22). Inicialmente, não há uma interface de deslizamento
(Figura 22b). A tensão de arranque “σp” é resistida pelo atrito na interface solo-reforço. O
deslizamento não ocorre até que a razão entre cisalhamento local e tração normal mobilize a
resistência de atrito da interface. Ele inicia-se a partir da extremidade “ativa” da inclusão com
uma tensão de escoamento nomeada “σpl”, identificando o começo da não-linearidade da
curva “ Tensão x Deformação”(Figura 22a). Na segunda fase, surge uma frente ativa de
deslizamento ou rompimento de vínculo em uma direção (Figura 22c). Com o aumento da
tensão de arranque (σp>σpI), a zona de deslizamento progride ao longo da inclusão. Surge
então uma segunda ou superior tensão de escoamento “σpII”(Figura 22a) que é identificada
quando a interface de atrito começa a ser mobilizada na zona passiva da inclusão.
A fase seguinte chama-se frente ativa e passiva de deslizamento. Para tensões de
arranque (σp > σpII), estabelece-se o rompimento de vínculo em duas direções com o
desenvolvimento de uma frente passiva de deslizamento movendo-se para se conectar com a
frente ativa (Figura 22d). A quarta fase é o deslizamento total e ocorre quando o ângulo de
atrito local de interface “δ” é mobilizado em todos os pontos ao longo da inclusão, com a
frente ativa de deslizamento alcançando a frente passiva (Figura 22e). Esta fase caracteriza-se
por uma carga residual de arranque “σpr” (Figura 22a).
48
Figura 22 – Seqüência esquemática de eventos durante arrancamento de inclusões planares:
(a) Resposta carga-derformação. (b) Sem interface de deslizamento. (c) Frente ativa de
deslizamento (rompimento de vínculo em uma direção). (d) Frente ativa e passiva de
deslizamento (rompimento de vínculo em duas direções). (e) deslizamento total. Fonte:
adaptado de Abramento e Whittle (1995).
3.11 Comparativo entre geomalha biaxial e geotêxtil
Segundo Tensar Corp. (2006), muitas vezes existem confusões no que se refere ao
comportamento das geomalhas biaxiais em comparação com geotêxteis em aplicação em
estradas pavimentadas e não pavimentadas. Os geotêxteis podem oferecer funções de
separação e de filtro, mas não são muito eficazes quando utilizado somente como reforço.
Em aplicações de reforço de solo, a resistência e rigidez de um geossintético é
somente significativa quando se pode transferir eficientemente ao solo . Com as geomalhas
biaxiais isto se consegue mediante a travação mecânica. Para os geotêxteis, a carga do solo
não pode ser transferida da mesma maneira, sendo que o geossintético atua como uma
“membrana tensionada” (Figura 24).
Algumas das desvantagens dos geotêxteis nas aplicações de reforço de estradas são:
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51
Entre as propriedades que se consideram de maior incidência no comportamento de
uma geomalha em sua aplicação no melhoramento de subleitos moles tem-se:
• Módulos secantes a 2% e 5%;
• Resistência nas juntas;
• Eficiência nas juntas;
• Estabilidade secante ou módulo de estabilidade da abertura: Investigações indicam
que este parâmetro captura a interação do modulo de tensão inicial, a rigidez, o
confinamento e a estabilidade. Sendo maior o módulo de estabilidade da abertura
melhor desempenho da geomalha biaxial dentro do sistema;
• Forma das costelas;
• Tamanho das aberturas;
• Resistência a danos durante a instalação.
Como se pode ver com toda esta quantidade de parâmetros se torna difícil o
desenvolvimento de critérios generalizados de desenho, o qual justifica a realização de
ensaios de campo.
52
4. METODOLOGIA
Para esta pesquisa foram utilizados dados de campo reais, de um projeto situado no
estado de Minas Gerais para uma empresa de celulose, onde existiam 15 km de estradas não
pavimentadas com baixa capacidade de suporte de carga. Foi empregado o programa de
cálculo SpectraPave de Tensar Corp. (2004) que utiliza a metodologia de Giroud – Han de
dimensionamento de espessura mínima de material de melhoramento requerido para que o
solo natural suporte o trânsito considerado e empregada uma geomalha biaxial de
polipropileno com suas juntas extrudadas com rigidez de 750 kg/cm da Tensar Corp.. De
acordo com a informação fornecida por esta empresa, o extrato de solo natural, a partir dos 40
centímetros de profundidade, pode ser uma mistura de argila ou silte com areia, que no caso
mais crítico tem uma plasticidade média (F-04, onde F são os furos de sondagem(Tabela 3)).
Considera-se a remoção dos primeiros 40 centímetros de material, pode-se considerar que o
solo de fundação terá um CBR mínimo de 1,5%, caso crítico para o qual se faz o desenho.
O valor do CBR para o material de melhoramento considerado de acordo aos
resultados do material atualmente utilizado como subleito. Segundo o estudo de solos, estes
valores são:
Tabela 3 – Furos de sondagem.
F-01 9,3%
F-02 42,7%
F-03 6,5%
F-04 16,1%
F-05 14,4%
F-06 9,6%
São eliminados os valores extremos de 6,5% e 42,7%, e toma-se o valor médio de
12,35%.
Os números de eixos são calculados de acordo ao volume de material que deverá ser
mobilizado para criar a plataforma de melhoramento. Este cálculo é feito considerando
carretas de 15,0 m³ e trechos de trabalho de 500 metros de comprimento, com larguras de via
de 10,0 metros.
53
Com todas essas considerações pode-se calcular um trânsito de construção sobre uma
primeira capa de melhoramento.
CÁLCULO DO NÚMERO DE PASSAGENS DE CARRETAS NO PROCESSO DE
CONSTRUÇÃO: Dados de entrada.
Descrição:
Projeto Melhoramento de fundação
Tipo de caminhão Carretas basculantes de 15 m³
Cálculo do número de passagens de carretas:
Capacidade das carretas 15 m³
Area a reforçar 5.000 m² (considera-se uma via de 10 m de
largura e 500 m de comprimento)
Espessura de melhoramento 0,5 m ( espessura assumida de material para
cálculo de passagens de carretas)
Esponjamento(assumido) 30 %
# de passagens de carretas 217 vezes
Carregamento Toneladas FC Freqüência N 18
Carga simples 13,5 7.3465 217,00 1.594,19
Carga tandem 35,0 33.9469 217,00 7.366,48
8.960,67 (eixo
de 8,2 ton)
Descarregamento - - - -
Carga simples 6 0,2866 217,00 62,20
Carga tandem 10 0,2262 217,00 49,09
111,29 (eixo de
54
8,2 ton)
Número de passadas de eixos de 8,2 ton : 9.071,90
No programa SpectraPave de Tensar Corp. (2006) faz-se um primeiro cálculo considerando:
Carga do eixo (kN) 80
Pressão de Inflagem (kN) 550
Passagens de eixos 9100
Máxima trilha de roda admitida 40
CBR Solo natural (%) 1,5
CBR material de melhoramento (%) 12,35
4.1 Cálculos de espessura da capa base Denominamos capa base o material granular que deverá ser colocado como superfície
de rodagem. Neste caso foi recomendado que fosse colocado um material granular para
favorecer a drenagem, tendo em conta que a via estará em uma zona chuvosa. A capa base será colocada sobre a capa de melhoramento, e recomendou-se o uso de
uma geomalha biaxial para assegurar o confinamento do material durante o trânsito de
veículos pesados.
O CBR da fundação correspondera ao CBR na superfície da capa de melhoramento,
que pode ser considerada como 4,5% para a espessura utilizada. Com este valor calcula-se o
Módulo de resistência do subleito como E=17,6(CBR)0,64 = 46.
De acordo a analise, colocando uma geomalha biaxial e 30 centímetros de material
granular, a via suportara 48.000 eixos equivalentes a 8,2 toneladas.
Deve-se ter em conta que este é um desenho preliminar, o desenho final deveria ser
feito tendo como dado o ESAL (Equivalent Simgle Axle Load) da via expresso em eixos de
8,2 toneladas, considerando o período de desenho, fatores de equivalência de eixos, valores de
serviciabilidade inicial e final esperados, confiabilidade e a razão de crescimento de fluxo.
ESAL é o número de eixos de carga equivalentes a que se simplifica todo o trem de cargas
que se calcula para o total que passará pelo pavimento durante toda sua vida útil ou de
desenho que foi considerado, equivalente a quantos eixos de 8,2 toneladas que passam pela
55
estrada durante sua vida útil. Com este valor pode-se comparar espessuras com ou sem a
geomalha com mais segurança.
4.2 Determinações do filtro
Para que não exista uma contaminação entre o material de aterro e o subleito, deve-se
cumprir:
• O critério de filtro, D15f/D85s < 5 (OK)
• Critério adicional de filtro: D50f/D50s < 25 (OK)
Estas condições cumprem-se na interface entre a espessura de melhoramento e a capa
base, já que se considera que para ambas as capas que serão utilizadas o material disponível.
De acordo a informação recebida, a via atual será retirada para poder aproveitar o
mesmo material como aterro. A condição de filtro entra a superfície final de fundação e o
material de aterro dependera da profundidade final de escavação. Se o material exposto não
tem uma granulometria similar a dos solos analisados, devera ser colocado um geotêxtil não
tecido para evitar a mistura entre as capas.
4.3 Confinamento com geotêxtil
A colocação de uma geomalha biaxial entre a capa de melhoramento e a base gera um
efeito de confinamento pelas aberturas estáveis da geomalha biaxial, que darão suporte lateral
as partículas que estariam soltas, e incrementa o desenho coletivo sob cargas de trânsito
pesadas.
Devido que a capa de melhoramento poderá ser feita com um material com finos,
devera ser considerado um confinamento adicional lateral com um geossintético que tenha
aberturas menores, para impedir que os finos e a areia causem erosões no pavimento. A
solução dada foi à colocação de um geotêxtil não tecido de polipropileno (PP).
Recomendou-se que as envolturas de geotêxtil tivessem uma ancoragem mínima de 80
centímetros no solo, o que significa que para os 30 centímetros de espessura da capa de
melhoramento, seriam necessários 1,90 metros de comprimento.
56
5. RESULTADOS
Os resultados obtidos para este projeto, de acordo aos dados recebidos e os cálculos
realizados seguindo o método de cálculo de Girou-Han mostrou que o melhoramento desse
solo com a geomalha biaxial, comparando com métodos sem o reforço, teve uma redução de
capa granular de 34 cm, representando uma economia de aproximadamente 65% de material
granular de cobertura (Tabela 3).
Tabela 3 – Espessura da capa base.
Espessura da capa base
(cm)
Sem reforço 60
Com reforço de geomalha biaxial 26
Fonte: Adaptado de TDM Peru (2008).
Para esta redução de capa foi recomendado à instalação de uma geomalha biaxial
sobre o solo natural, e uma capa de 30 cm de material descrito como subleito, que deverá ter
como mínimo de CBR “in loco” de 9,3%. Sobre a capa de melhoramento será colocada outra
capa de geomalha biaxial e sobre esta uma capa de 30 cm de material de base granular que
cumpra com as considerações feitas nos cálculos. Será inserido um geotêxtil não tecido de
polipropileno como confinamento da capa de melhoramento, tendo que estar com uma
ancoragem mínima de 80 cm.
Este dimensionamento de pavimento permitirá um trânsito na superfície de rodagem
de 48.000 eixos equivalentes a 8,2 ton. Deverá ser feita uma análise ESAL de acordo a
freqüência real de trânsito diário, a razão de crescimento, serviciabildade inicial e final
esperadas, equivalência de eixos e confiabilidade para que se possa fazer um cálculo.
57
6. CONCLUSÃO
Podemos concluir que o uso de geomalha biaxial em reforços e melhoramentos de
pavimentos é efetivamente mais eficiente comparado a métodos tradicionais sem seu uso e
também quando comparada com o geotêxtil. Pode-se observar uma redução de capa de
material granular de até 65% neste estudo de caso em relação a um cálculo sem o seu uso do
reforço, com isto chegando a uma economia e degradação ambiental inferior aos métodos já
utilizados devido a este aterro de material granular ser natural e de custo elevado.
Com os métodos tradicionais de reforço e melhoramento, teríamos um tempo estimado
para e execução da obra elevado, com o uso da geomalha biaxial obtivemos uma redução de
capa granular de 34 cm e conseqüentemente uma redução considerável no cronograma desta
obra, também influenciado pela fácil aplicação das geomalhas.
Para um estudo mais detalhado seriam necessários observações e estudos em outras
condições de subleito e de tráfego, mas neste caso, foi possível a conclusão de que a solução
utilizando as geomalhas biaxiais foi totalmente viável, quando considerado custos, tempo de
execução, redução de camadas granulares, impacto ambiental e manutenções mensais do
pavimento.
Com isso, essa solução deveria ser mais empregada pelos projetistas no Brasil, tendo
em vista que essa solução já é bastante empregada em outros países.
58
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