2. ENSAIO DE RESILIÊNCIA OU TRIAXIAL DE CARGAS ...
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<strong>2.</strong> <strong>ENSAIO</strong> <strong>DE</strong> <strong>RESILIÊNCIA</strong> <strong>OU</strong> <strong>TRIAXIAL</strong> <strong>DE</strong> <strong>CARGAS</strong> REPETIDAS <strong>OU</strong> DINÂMICO<br />
<strong>2.</strong>1 Definição<br />
O termo resiliência significa energia armazenada em um corpo deformado elasticamente,<br />
que é desenvolvida quando cessam as tensões causadoras das deformações; ou seja, é a<br />
energia potencial de deformação. (Medina, 1997)<br />
<strong>2.</strong>2 Ensaios de cargas repetidas<br />
A força aplicada atua sempre no mesmo sentido de compressão, de um valor zero até um<br />
máximo, voltando a anular-se ou atingir um valor mínimo definido para voltar a atuar após<br />
pequeno intervalo de repouso (fração de segundo), de maneira a reproduzir as condições<br />
de campo.<br />
A amplitude e o tempo de pulso dependem da velocidade do veículo e da profundidade<br />
em que são calculadas as tensões e deformações produzidas. A freqüência representa o<br />
volume ou fluxo de veículos (Medina, 1997).<br />
O estado de tensões em um elemento do subleito ou de camada do pavimento varia com<br />
a posição da carga móvel P. A aplicação de uma carga vertical leva ao surgimento de<br />
uma tensão vertical (σv) e uma tensão horizontal(σh), conforme mostrado na figura <strong>2.</strong>1.<br />
PAVIMENTO<br />
SUBLEITO<br />
Figura <strong>2.</strong>1 – Tensões normais e tangenciais (Medina, 1997).<br />
P<br />
σh<br />
x<br />
τhv<br />
τvh<br />
Os ensaio drenados são comumentes usados por simularem melhor as condições de<br />
campo . No entanto é difícil medir a pressão negativa da água nos poros (sucção) e obterse<br />
as pressões efetivas, pois os materiais costumam ficar parcialmente saturados, assim<br />
sendo os resultados são expressos em termos de pressões totais (Medina, 1997).<br />
O módulo resiliente no ensaio triaxial de cargas repetidas é definido com a tensão desvio<br />
σd = (σ1 - σ3 ) dividido pela deformação resiliente axial (vertical) ε1 ou εr.<br />
MR = σd / ε1<br />
com ε1 = ∆h/ ho<br />
onde ∆h é o deslocamento vertical máximo e ho é o comprimento inicial de referência do<br />
corpo de prova cilíndrico.<br />
Verifica-se na figura 7 que a cada aplicação de tensão desvio, a deformação axial tem<br />
uma parcela pequena de natureza plástica ou permanente (εp), sendo:<br />
σV<br />
σV<br />
τvh<br />
τhv<br />
σh<br />
Rita Moura Fortes<br />
5
εt = εr + εp<br />
Tempo de 1s; freq. de 1 0,1 s<br />
δr<br />
δp<br />
Referência inicial do ensaio<br />
δr = deslocamento resiliente (recuperável);<br />
δp = deslocamento permanente ou plástico<br />
Σδp = deslocamento permanente acumulado<br />
Figura <strong>2.</strong>2 – Registro oscilográfico do ensaio de cargas repetidas (Medina, 1997).<br />
Na determinação do módulo resiliente somente a parcela εr (recuperável) é considerada.<br />
O ensaio é realizado com corpos de prova não saturados, geralmente em condições de<br />
drenagem livre.<br />
Na figura <strong>2.</strong>3 está apresentado o equipamento de ensaio<br />
O ensaio é realizado com corpo de prova obtido de bloco de amostra indeformada ou<br />
compactada em laboratório, sendo que o diâmetro do molde deve ser superior ou igual a 4<br />
vezes o diâmetro máximo das partículas de solo e sua altura guardar uma relação de<br />
aproximadamente 2 vezes o diâmetro (DNER-ME 131/94).<br />
O equipamento é constituído de uma célula triaxial, sistema de controle e registro das<br />
deformações e um sistema pneumático de carregamento. A força vertical axial é aplicada<br />
de modo alternado no topo da amostra através de um pistão, de maneira que a passagem<br />
do ar comprimido pelo regulador de pressão atua diretamente sobre uma válvula ligada a<br />
um cilindro de pressão. A abertura da válvula permite a pressão do ar no corpo de prova<br />
que está envolto por uma membrana impermeável. Fechando-se a válvula, a pressão do<br />
ar cessa. O tempo de abertura da válvula e a freqüência desta operação podem ser<br />
controlados por um dispositivo mecânico digital. As deformações resilientes são medidas<br />
através dos LVDTs (linear variable diferential transducers – par de transdutores necanicoeletromagnéticos)<br />
que estão acoplados ao corpo de prova (Pinto & Preussler, 2001).<br />
No Brasil os módulos têm sido determinados com repetição do carregamento de<br />
aproximadamente 200; freqüência de 20 a 60 solicitações por minuto; duração de 0,10 a<br />
0,15 segundos e intervalo entre cargas de 2,86 a 0,86 segundos.<br />
Os resultados são apresentados na forma gráfica, sendo que na ordenada, em escala<br />
logarítmica estão os valores dos módulos de resiliência (MR) e no eixo das abcissas,<br />
também em escala logarítmica, os valores das tensões confinantes. Através da análise de<br />
regressão obtêm-se equações do tipo:<br />
MR = k1 - σ3 k2 (vide figura <strong>2.</strong>4 (a)) para solos arenosos ou pedregulhosos ou<br />
δr<br />
δp<br />
MR = k2 + k3 (k1 - σd) k1 > σd<br />
Σδp<br />
Rita Moura Fortes<br />
6
MR = k2 + k4 (σd – k1)k1 < σd para solos argilosos ou siltosos (figura <strong>2.</strong>4(b).<br />
onde k1, k2, k3 e k4 são parâmetros do solo ensaiado.<br />
Figura <strong>2.</strong>3 – Equipamento de ensaio de resiliência (ELE, 1999)<br />
MÓDULO <strong>DE</strong> <strong>RESILIÊNCIA</strong><br />
1<br />
k2<br />
MR = k1 σ3 k2<br />
TENSÃO CONFINANTE σ3 (kPa)<br />
(a)<br />
1<br />
MR = k2 + k3 (k1 - σd) k1 >σd<br />
MR = k2 + k4 (σd – k1) k1
Nas figuras <strong>2.</strong>5 a <strong>2.</strong>7 estão apresentados ensaios de resiliência de solos arenosos.<br />
Observa-se que é uma reta e que nas abcissas está representada a tensão de<br />
confinamento (σ3) pois os valores do módulo de resiliência não variam muito com a tensão<br />
de desvio. Na figura <strong>2.</strong>7 repara-se que a adição de cimento ao solo arenoso melhorou<br />
suas características quanto ao módulo de resiliência, tornando-o menos resiliente. Na<br />
figura <strong>2.</strong>8 está apresentado o ensaio de módulo de resiliência de um solo argiloso, sendo<br />
que no eixo das abcissas está a tensão de desvio. Na figura <strong>2.</strong>9 está apresentada a<br />
variação do módulo de resiliência em função do Mini-CBR de alguns solos lateríticos e<br />
saprolíticos.<br />
Figura <strong>2.</strong>5 – Ensaio de módulo de resiliência para um solo arenoso fino laterítico na<br />
energia normal.<br />
Figura <strong>2.</strong>6 – Ensaio de módulo de resiliência de solo arenoso na energia intermediária.<br />
Rita Moura Fortes<br />
8
Figura <strong>2.</strong>7 Ensaio de Módulo de Resiliência de solo arenoso com 6% de cimento.<br />
Figura <strong>2.</strong>8 – Ensaio de Módulo de Resiliência de solo argiloso laterítico.<br />
Fatores que afetam o módulo resiliente dos solos granulares:<br />
Rita Moura Fortes<br />
9
a) número de repetições da tensão-desvio: depende do índice de vazios, da<br />
densidade do material, do grau de saturação e do valor da tensão repetida<br />
aplicada;<br />
b) história de tensões: deformações permanente iniciais. Os solos não coesivos<br />
adquirem rigidez através da repetição do carregamento. Em um dado momento o<br />
solo apresenta comportamento quase elástico com MR constante;<br />
c) duração e freqüência do carregamento: a duração é função da velocidade dos<br />
veículos. A freqüência é função das condições de tráfego. Até 40 aplicações por<br />
minuto tem pouca influência;<br />
d) nível de tensão aplicada: varia muito com a pressão confinante em solos não<br />
coesivos e pouco com a pressão de desvio.<br />
Fatores que afetam o módulo resiliente dos solos finos coesivos:<br />
a) número de repetição da tensão-desvio e história das tensões: com o carregamento<br />
repetido ocorre o rearranjo estrutural levando a um acréscimo do peso específico;<br />
b) duração e freqüência de aplicação das cargas: para freqüências entre 20 e 60<br />
aplicações por minuto e duração entre 0,86 e 2,86 segundos não exerce influência;<br />
c) umidade e massa específica de moldagem: quanto maior o teor de umidade, menor<br />
é o módulo resiliente;<br />
d) tixotropia dos solos argilosos: após algumas repetições de carga o ganho de rigidez<br />
não é significativo;<br />
e) nível de tensão: no caso de solos coesivos varia muito pouco com a pressão<br />
confinante e muito com a de desvio.<br />
10<br />
Rita Moura Fortes
Figura <strong>2.</strong>9 – Variação do módulo de resiliência em função do Mini-CBR de alguns solos<br />
lateríticos e saprolíticos (Franzoi, 1990)<br />
11<br />
Rita Moura Fortes
Classificação dos solos finos quanto à resiliência<br />
Os solos finos coesivos que com freqüência é encontrado em subleito ou em camadas de<br />
reforço do subleito são classificados, de acordo com os parâmetros de resiliência<br />
determinados em ensaios triaxiais em:<br />
• solos tipo I: solos com baixo grau de resiliência – apresentam bom comportamento<br />
como subleito e reforço de subleito, com possibilidade de utilização em camadas de<br />
sub-base;<br />
• solos tipo II: solos com grau de resiliência intermediário – apresentam comportamento<br />
regular como subleito. Sua utilização como reforço de subleito requer estudos e<br />
ensaios especiais;<br />
• solos tipo III: solos com grau de resiliência elevado – não é aconselhável seu emprego<br />
em camadas de pavimentos. Como subleito requerem cuidados e estudos especiais.<br />
No quadro <strong>2.</strong>1 está apresentada a classificação do solo em função da porcentagem de<br />
silte na fração fina (S), ou seja, da fração que passa na peneira de abertura nominal<br />
0,075 mm e o valor da capacidade de suporte (CBR) correspondente (Pinto & Preussler,<br />
2001).<br />
Quadro <strong>2.</strong>1 – Classificação do solo em função da fração passada na peneira nº 200 (pinto<br />
& Preussler, 2001)<br />
S (%)<br />
CBR (%) < 35 35 a 65 > 65<br />
> 10 I II III<br />
6 a 9 II II III<br />
2 a 5 III III III<br />
Onde:<br />
S = 100 – (P1/P2) x 100<br />
S = porcentagem de silte na fração fina que passa na peneira número 200 (0,075 mm);<br />
P1 = porcentagem em peso, de material cujas partículas tenham diâmetro inferior a 0,05<br />
mm determinada na curva de distribuição granulométrica;<br />
P2 = porcentagem em peso, de material cujas partículas tenham diâmetro inferior a 0,075<br />
mm, determinada na curva de distribuição granulométrica.<br />
Na figura <strong>2.</strong>10 está apresentado o modelo de comportamento resiliente de solos fiinos, de<br />
acordo com a classificação I, II e III.<br />
MR<br />
4000<br />
3000<br />
2000<br />
1000<br />
II<br />
III<br />
I<br />
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 σd<br />
Figura <strong>2.</strong>10 - Modelo de comportamento resiliente de solos finos (Pinto & Preussler,<br />
2001).<br />
12<br />
Rita Moura Fortes
Características resilientes dos solos<br />
É a parcela da deformabilidade resiliente das camadas do pavimento e do subleito que<br />
condiciona a vida de fadiga das camadas superficiais mais rijas, como o revestimento de<br />
concreto asfáltico, base de solo cimento, etc., sujeitas a flexões sucessivas.<br />
O módulo de resiliência de solos depende de sua natureza (constituição mineralógica,<br />
textura, plasticidade da fração fina) umidade, densidade e estado de tensões.<br />
Na figura <strong>2.</strong>11 estão apresentados alguns modelos de comportamento resiliente de solos<br />
(observados no Brasil)<br />
Figura <strong>2.</strong>11 – Modelos de comportamento resiliente de solos observados no Brasil<br />
(Medina, 1997).<br />
Os solos saprolíticos siltosos micáceos e/ou caolínicos caracterizam-se por baixos valores<br />
de MR, independentemente da tensão de confinamento e da tensão de desvio. Valores de<br />
MR menores que 500 kgf/cm 2 são comuns nesse solos quando ensaiados nas condições<br />
de teor de umidade ótimo e massa específica aparente máxima da energia normal.<br />
(Nogami e Viilibor, 1995).<br />
Devido à complexidade do ensaio para determinação do módulo de resiliência, são<br />
utilizadas diversas correlações com o valor da capacidade de suporte (CBR).<br />
A proposta por Henukelon e Foster (1960) é a mais utilizada quando os valores de CBR<br />
são menores que 10%.<br />
MR = 100 x CBR (em kgf/cm 2 )<br />
Medina e Mota (1989) apresentaram várias fórmulas que permitem avaliar as constantes<br />
de alguns modelos de comportamento resiliente de solos brasileiros.<br />
13<br />
Rita Moura Fortes
O PRO 269/94 – Tecnapav foi desenvolvido para considerar o módulo de resiliência na<br />
avaliação estrutural de pavimentos flexíveis, assim como no dimensionamento de reforço<br />
dos mesmos.<br />
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Rita Moura Fortes