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Laboratório de Mecânica de Pavimentos Prof. José Tadeu Balbo
DESENVOLVIMENTO DE CURVAS DE DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS COM BASE NO ÍNDICE DE SUPORTE CALIFORNIANO – CBR – DE SOLOS DE SUBLEITOS E MATERIAIS PARA BASES E SUB-BASES Antecedentes: 1928-1929
California Division of Highways (CDH) (Porter e Proctor)
• Investigações sobre as causas de rupturas de pavimentos flexíveis (asfálticos) em rodovias estaduais Áreas que apresentavam ruptura: • análise das condições de drenagem • abertura de trincheiras, coleta de amostras não perturbadas (densidade e umidade) Principais causas de rupturas observadas: • deslocamento lateral do solo do subleito devido à absorção de água na estrutura e amolecimento (plastificação) dos solos [1] ⇒ afundamentos • consolidação diferencial de camadas [2] • excessiva deformação vertical dos materiais e camadas sob ação de cargas [3] ⇒ rupturas localizadas Conclusões sobre as causas observadas: • [1] e [2] : compactação inadequada durante a construção; a má drenagem poderia ter contribuído, porém, aumentos de umidade seriam limitados pelo grau de compactação dos solos condição do pavimento ⇔ condição de compactação • [3] : espessura insuficiente de pavimento (base + revestimento) para solos pobres (natureza ou compactação) do ponto de vista de resistência ao cisalhamento • Classificação dos solos não explicava seu comportamento (solos idênticos às vezes ruins ou bons)
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RESULTADOS DAS PESQUISAS Levando-se em conta o tipo de solo e suas características (de resistência e de compactação) seria possível definir, após a investigação, por analogia, qual espessura de pavimento sobre o solo para se evitar as rupturas mais tipicamente constatadas nas rodovias NECESSIDADES EMERGENTES Era necessário um ensaio que fosse ao mesmo tempo simples e rápido para se ter uma previsão do comportamento dos solos em subleitos de pavimentos Primeiras Tentativas Provas de carga estáticas em campo • eram muito influenciadas pelas propriedades elásticas e plásticas dos solos • ocorriam inúmeras dificuldades de tornar úmido o solo em campo até a profundidade afetada pelo teste ⇒ foi abandonada tal possibilidade Ensaio do CBR (1929) Tentativa de ensaio de laboratório para simular as condições de campo (umidade e carregamento) O ensaio permitia eliminar em grande parte as condições de plasticidade que seriam motivo da consolidação por ação do tráfego Condições de ensaio: ⇒ sobrecarga (simular o peso do pavimento) ⇒ imersão (simular o degelo e saturação do solo) O novo teste (CBR) mediria a resistência do solo ao deslocamento lateral, combinando a influência de sua coesão e de seu atrito interno 2
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Testes com inúmeros agregados tipicamente empregados em bases de pavimentos, de boa qualidade, foram realizados utilizando-se o ensaio A média de pressão aplicada para se obter uma deformação padrão foi tomada para tais agregados de base (pedregulhos e pedras britadas). Tal média foi fixada como um valor de referência de CBR = 100% Condições do Ensaio do CBR Cargas para Compactação: a investigação determinou que 2.000 lbs/pol2 (14 MPa) seria a pressão necessária para reproduzir em laboratório as densidades dos subleitos em campo (subleitos já solicitados pelo tráfego por determinados períodos de serviço dos pavimentos investigados). Cargas estáticas em laboratório controle de campo: peso e soquete Resultados das Investigações Laboratoriais (comparadas às observações de campo) • Subleitos satisfatórios: ⇒ expansão < 3% • Sub-bases e Bases: ⇒ expansão < 1% • A expansão era dependente da quantidade de ar (poros) no material • Para uma dada densidade, o mínimo de expansão é verificado quando os vazios estão quase cheios de água
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1928 – 1942
Requisitos de CBR para pavimentos em serviço
Método Empírico (Observacional) Análise de casos que funcionaram bem e de casos com rupturas • Definição das Curvas A e B de dimensionamento para rodovias da Califórnia: Definem a espessura de base + subbase necessária sobre um subleito para sua proteção contra os processos de ruptura verificados CURVA B : Curva original do CDH para tráfego leve CURVA A : Curva de 1942 para tráfego médio Outras constatações empíricas (regras a serem utilizadas em projeto): • Revestimentos: espessura mínima de 3 polegadas • Bases: CBR mínimo de 50%
Índice de Suporte Californiano (CBR - %)
Curvas Empíricas do Método do CBR 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
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espessura da camada sobre o subleito (polegadas) Curva A - carga média típica de 12.000 lbs (1942) - United States Army Corps of Engineers Curva B - carga média típica de 7.000 lbs (1929) - Porter, California Division of Highw ays
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1942
United States Army Corps of Engineers (USACE)
2a. Grande Guerra Mundial - Aeroportos em Ilhas no Pacífico ⇒ Adaptação do critério do CBR para projeto de pistas de aeroportos Razões: • Ensaio de simples interpretação • Dimensionar evitando a ruptura imediata do pavimento por cargas de aeronaves pesadas • Ensaio rápido
Conceitos implícitos nas curvas do CDH: pavimentos rodoviários, eixos rodoviários, consideração implícita de fluxo canalizado, grande número de repetições de carga para levar à ruína
Condições para um Aeroporto: pesos relativos dos veículos, pressões de pneus, distribuição lateral do tráfego ⇒ Foi tomada a curva A (veículos mais pesados) para a análise, pois era uma curva para caminhões com rodas de 9.000 lbs sem rupturas; arbitrariamente, com base em pressões relativas exercidas por rodas, foi considerada como representativa de 12.000 lbs de aeronaves ⇒ Área e pressões médias de contato das rodas dos aviões eram maiores: tomou-se a relação de 35% para 10% entre deformações geradas entre rodas de aeronaves e de caminhões 5
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⇒ Nas pistas de pouso verificou-se que 50% das operações ocorriam no terço central do pavimento (aeroportos civis e militares em serviço na época) Extrapolação da Curva A para outras cargas de roda superiores a 12.000 lbs Realizou-se um programa de testes com cargas estáticas Verificou-se que a deformação plástica do pavimento era motivada por três fatores: • consolidação do subleito [1] • compactação da base e do revestimento [2] • deformação elástica (efeito repetitivo) [3] Os fatores [1] e [2] , como o CDH já apontava, estariam muito relacionados ao controle de compactação Restava dar uma forma de tratamento ao fator [3] As deformações elásticas, permanecendo idênticas ao longo da vida de serviço, governariam a ruptura ao longo do tempo; tal ruptura era ocasionada, nos solos e agregados, por tensões cisalhantes (distorções) com efeito cumulativo Assim a tensão cisalhante atuante sobre os subleitos e sub-bases e bases deveria ser limitada e menor por uma tensão de ruptura para uma carga apenas O USACE tomou partido da teoria da elasticidade aplicada a maciços elásticos e isotrópicos (Boussinesq), considerando que a tensão cisalhante deveria ser limitada e que o valor do CBR era essencialmente tal limite de ruptura (o ensaio mobilizava tensões de cisalhamento sobretudo)
Profundidade (polegadas)
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MÉTODO DO DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS DE RODAGEM (DNER) PARA O DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS FLEXÍVEIS (engo. Murilo Lopes de Sousa, 1966) Princípios Gerais: • Toma as Curvas do USACE adaptadas para o tráfego rodoviário • Sugere o emprego do valor do CBR estatístico de um trecho de rodovia • Indica a compactação de solos e demais camadas granulares seja realizada no mínimo a 100% (grau de compactação) daquela obtida no ensaio na energia normal (padrão) • Toma a “Lei de Quarta Potência”, definida teoricamente pelo USACE, como padrão de equivalência entre cargas de eixos rodoviários • Emprega o conceito de número de repetições de cargas equivalentes ao eixo-padrão de 18.000 lbs (80 kN) - ESRD
CONDIÇÕES PARA OS SUBLEITOS expansão máxima, no ensaio de CBR, com corpo de prova imerso durante quatro dias, de 2%
CONDIÇÕES PARA MATERIAIS GRANULARES REFORÇOS DE SUBLEITOS CBR superior ao subleito expansão ≤ 2%
SUB-BASES CBR ≥ 20% Índice de Grupo = 0 expansão ≤ 1% (sobrecarga de 10 lbs) 7
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BASES CBR ≥ 80% expansão ≤ 0,5% (sobrecarga de 10 lbs) LL ≤ 25 IP ≤ 6 (se LL e IP forem superiores, poderá ser empregado o material que respeitando as demais condições apresente equivalente de areia superior a 30%) Para N ≤ 106 admite-se CBR ≥ 60% outras recomendações
CONDIÇÕES PARA REVESTIMENTOS BETUMINOSOS • espessuras mínimas recomendadas com base na experiência nacional (até os primórdios dos anos 60, para se evitar a ruptura do revestimento (critério empírico)
N N ≤ 106 106 < N ≤ 5 x 106 5 x 106 < N ≤ 107 107 < N ≤ 5 x 107 N > 5 x 107
espessura mínima de revestimento tratamentos superficiais misturas betum. com 5 cm CBUQ com 7,5 cm CBUQ com 10 cm CBUQ com 12,5 cm
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DIMENSIONAMENTO DO PAVIMENTO Estrutura Genérica de Pavimento:
Espessura Total Necessária sobre o Subleito:
Hm É a espessura total sobre um dado subleito, em termos de material padrão, para a proteção do subleito Parâmetros Necessários: • N • CBR do subleito ( CBRm ) Espessura Total Necessária sobre o Reforço do Subleito:
Hn É a espessura total sobre um dado subleito, em termos de material padrão, para a proteção do reforço do subleito Parâmetros Necessários: • N • CBR do reforço do subleito ( CBRn ) • Recordar que CBRn > CBRm
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Espessura Total Necessária sobre a Sub-base:
H20 É a espessura total sobre um dado subleito, em termos de material padrão, para a proteção da sub-base Parâmetros Necessários: • N • CBR da sub-base ( forçosamente CBR = 20% par projeto ) Cálculo das Espessuras Reduzidas ao material de fato empregado Conceito Básico: • emprego de coeficientes de equivalência estrutural entre o material disponível e o material padrão (pedregulho ou pedra britada) Ô (coeficiente estrutural é um número abstrato relacionando a capacidade de difusão de tensões sobre o subleito que um material qualquer tem em relação ao material padrão – pedra britada) Solução das inequações abaixo:
R x Kr + B x Kb ≥ H20 R x Kr + B x Kb + h20 x Ks ≥ Hn R x Kr + B x Kb + h20 x Ks + hn x Kref ≥ Hm Observações: • Se CBR da sub-base ≥ 40 e N ≤ 106, admite-se tomar a expressão:
R x Kr + B x Kb ≥ 0,2 x H20 • Se N > 107 , recomenda-se:
R x Kr + B x Kb ≥ 1,2 x H20 10
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Valores de Coeficientes Estruturais ( denominados por “K” ) DNER
Material da camada
Materiais Típicos
Revestimento ou base de concreto betuminoso usinado a quente Revestimento ou base de pré-misturado denso a quente Revestimento ou base de pré-misturado denso a frio Revestimento ou base betuminosa por penetração Camadas de materiais granulares Mat. Estabilizado com cimento Rc7 > 4,5 MPa Mat. Estabilizado com cimento 2,8 < Rc7 < 4,5 MPa Mat. Estabilizado com cimento 2,1 < Rc7 < 2,8 MPa Mat. Estabilizado com cal
CBUQ
Valor de K 2,0
PMQ
1,7
PMF
1,4
PMAF, MB, TSS, TSD,TST
1,2
BGS, MH, BC, SB
1,0
BGTC, SC
1,7
SC
1,4
SMC
1,2
Solo-cal
1,2
• camadas granulares: espessura mínima de 15 cm e máxima de 20 cm
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Ábaco de dimensionamento de espessuras equivalentes em termos de pedra britada oferecido pelo DNER
0 10 20
C.B.R
Espessura equivalente (cm)
30
20
40
80
15 12 10 8 7 6 5
90
4
50 60 70
100 3
110 120 130
2
140 150 1E+03
1E+04
1E+05
1E+06
1E+07
1E+08
1E+09
Número de repetições de carga
12
