DRENAGEM SUBSUPERFICIAL EM SEGMENTO DA BR-116/SC

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1 DRENAGEM SUBSUPERFICIAL EM SEGMENTO DA BR-116/SC RESUMO Código: 9558 A preocupação com a manutenção da estrutura do pavimento isenta de umidade, existe desde a implantação das primeiras obras rodoviárias, realizadas na idade antiga no Império Romano, e no Brasil mais especificadamente nas Estradas Reais na época do Brasil Colônia. Diante disto os envolvidos em manutenção e execução de pavimentos rodoviários, se deparam com a necessidade de evitar os problemas decorrentes de uma drenagem ineficiente, inexistentes, ou ambas, na busca de um pavimento com vida útil considerada satisfatória. O presente Trabalho tem por finalidade avaliar uma relação entre a deflexão característica e o sistema de drenagem subsuperficial ineficiente, em um segmento experimental da Rodovia BR-116/SC, sob concessão da empresa Arteris. São apresentados alguns tipos de drenagem comumente executados nos pavimentos rodoviários brasileiros, bem como os principais problemas oriundos de uma drenagem inadequada e soluções no segmento, com extensão aproximada de 800m, e após esses levantamentos foram realizadas intervenções para a execução de alguns métodos de drenagem como: dreno profundo longitudinal e dreno espinha de peixe. E a partir dos dados obtidos no segmento pode-se avaliar a magnitude das melhorias apresentadas nas medidas deflectométricas e assim demonstrar a eficiência da proposta inicial para o trabalho, direcionando futuros trabalhos e intervenções nesta ou em outras rodovias. PALAVRAS-CHAVE: pavimentação, drenagem, deflexão, viga benkelman, dreno. ABSTRACT The concern with the maintenance of the pavement structure, free from humidity, there since the implantation of the first road works carried out in the old age of the Roman Empire, and more specifically in Brazil Royal Roads at the time of colonial Brazil. Given this those involved in maintenance and execution of road pavements, are faced with the need to avoid the problems arising from an inefficient drainage, nonexistent, or both, in the search for a pavement with life satisfactory. This work aims to assess the relationship between the deflection and inefficient subsurface drainage system in an experimental stretch of highway BR-116/SC, under concession of Arteris company. They show some types of drainage commonly performed in Brazilian road pavements, as well as the main problems arising from inadequate drainage and solutions to minimize them. For study purposes, we conducted a deflection measurements in the chosen passage, with an approximate length of 800m, and after these surveys were carried out interventions for running some drainage methods such as longitudinal deep drain and drain herringbone. And from the data obtained in the segment could be evaluated the magnitude of the improvements made in deflection measures and thus demonstrate the effectiveness of the initial proposal for the work, directing future work and interventions on this or other highways. KEYWORDS: paving, drainage, deflection, viga benkelman, drain.

2 1 INTRODUÇÃO A drenagem subsuperficial ineficiente em pavimentos rodoviários pode ser considerada como uma das principais causas de degradação da vida útil dos pavimentos brasileiros, segundo diversas fontes bibliográficas, onde também indicam que a preocupação em manter a estrutura dos pavimentos isentos de umidade existe desde a idade antiga do Império Romano, onde na implantação das obras, há indicações da preocupação de que seus construtores apresentavam conhecimentos acerca da influência da drenagem no desempenho do pavimento. Nos últimos anos, evoluiu-se consideravelmente em termos de tecnologia dos pavimentos, empregando-se novos materiais e equipamentos em procedimentos de dimensionamento e técnicas construtivas. (OQUENDO PEREIRA, A.C., 2003). A busca constante por melhoria da vida útil do pavimento passa por evitar a degradação da estrutura do pavimento em função da ação da água em sua estrutura. Segundo a professora Drª Liedi Légi Bariani Bernucci, da Politécnica da USP, que prefacia a obra, Pavimentação Asfáltica: formação básica para engenheiros:... seja por infiltração de chuvas, percolação ou ainda por ascensão capilar, ela tem levado a um grande número de insucessos e de rupturas prematuras de pavimentos, mesmo estruturalmente bem dimensionados, por inadequação e mesmo inexistência de sistemas de drenagem. Neste contexto a intervenção com instalação de dispositivos de drenagem poderia evitar a reconstrução completa da estrutura do pavimento e ainda propiciaria um aumento considerável na vida útil do pavimento, já que a estrutura não seria fragilizada pela água, que alteraria as características das camadas formadoras da estrutura do pavimento. Considerando que o projeto de engenharia objeto do presente Artigo teve seu dimensionamento realizado para uma determinada vida útil, a rodovia federal BR-116/SC, subtrecho do entroncamento com a BR-477(acesso para Major Vieira) ao entroncamento com a rodovia estadual SC-478 (acesso para Timbó Grande), segmento do Km 88,300 ao Km 88,600 apresenta valores de deflexões recuperáveis acima dos padrões para certa variação de tempo, tem-se como hipótese que o pavimento flexível apresenta alta percentual de deformação devido à ineficiência ou ausência de sistema de drenagem subsuperficial. Tendo em vista isso, o trabalho em questão vai tentar avaliar e estabelecer uma relação entre deflexão recuperável e sistema de drenagem subsuperficial inexistente e/ou insuficiente seguindo os procedimentos normativos e metodológicos contidos no Manual de Drenagem de Rodovias e no Álbum de Projeto-Tipo de Dispositivos de Drenagem do Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT) de acordo com os seguintes tópicos: 1. Análise das variáveis que possam estar relacionadas às patologias verificadas no segmento em questão; 2. Levantamento visual do segmento a ser realizado no presente trabalho; 3. Coleta de dados tais como: ensaios deflectométricos não destrutivos, abertura de vala de inspeção, análise estruturais, etc.; 4. Avaliação de possíveis intervenções e aplicação da solução proposta;

3 5. Análise e validação dos resultados obtidos; e 6. Elaboração de relatório final e considerações do estudo de caso proposto 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 Infiltração de água As estruturas dos pavimentos apresentam normalmente uma área considerável exposta à infiltração de águas provenientes de diversas fontes, entre as quais se pode citar: sucção capilar, infiltração lateral, condensação de vapor d água e infiltração através de superfícies permeáveis (trincas, fissuras e juntas). A Figura 2.1 apresenta um desenho esquemático ilustrando estas fontes de acordo com Oquendo Pereira, A.C., Figura 2.1 Origens da água na estrutura do pavimento Segundo MOULTON (1990), são as águas livres as responsáveis pela degradação da estrutura do pavimento, diretamente ligada à variação do teor de umidade. Apesar dos danos causados pela infiltração da água no pavimento não poder ser demonstrada instantaneamente, a água em excesso exerce influência direta com o passar dos anos na perda de serventia do pavimento. O valor de serventia atual é uma atribuição numérica compreendida em uma escala de 0 a 5, dada pela média de notas de avaliadores para o conforto ao rolamento de um veículo trafegando em um determinado trecho, em um dado momento da vida do pavimento. Em termos objetivos, a água da chuva pode provocar queda de capacidade de suporte. Como conseqüência, a estrutura ao ser solicitada pelo tráfego sofre maiores deslocamentos, provocando maiores danos estruturais e de superfície. O pavimento já trincado na superfície facilita a entrada de água. Com a evolução das trincas, o decréscimo do valor de serventia é ainda mais acentuado. (BERNUCCI, et al., 2008) 2.2 Problemas da drenagem inadequada Os principais problemas de uma drenagem inadequada em pavimentos asfálticos flexíveis podem ser:

4 2.2.1 Poro pressão É o efeito causado pela passagem de veículos, em pavimentos com a estrutura saturada, gerando impacto na base e sub-base aumentando a pressão da água existente nos vazios e forçando a fuga desse líquido, causando erosão e ejeção de material. Além dos efeitos citados acima, Cedergren (1974), afirma que a poro pressão pode causar o desprendimento da capa asfáltica, o bombeamento de finos por trincas, desestabilizando a base e comprometendo o pavimento Oxidação do ligante asfáltico A oxidação do ligante asfáltico em comparação a outros danos causados apresenta uma velocidade de degradação à estrutura do pavimento inferior aos outros mecanismos. A deterioração do ligante asfáltico está relacionada não somente aos teores de umidade que a estrutura esta sujeita, mas também as características físico-químicas do material e sua dosagem na camada de suporte (OQUENDO PEREIRA, A.C., 2003) Perda de suporte das camadas Segundo Vargas (1978) esse fenômeno ocorre em materiais de granulometria mais fina, como siltes e argilas, por exemplo, que após sucção da água pelos poros, ocorre adsorção pelos cristais, que expandem e se afastam, criando espaços cheios de água entre os grãos. Com a combinação desse fenômeno e a solicitação da estrutura pela passagem de veículos no pavimento pode ocorrer o bombeamento de finos desestruturando a camada de solo, mas, mesmo que não ocorra após a diminuição da umidade no solo, os vazios que antes estavam preenchidos com água não estarão mais tornado o solo poroso, reduzindo a capacidade de suporte e aumentando o modulo de resiliência. 2.3 Drenagem Drenagem superficial O sistema de drenagem superficial rodoviária dispõe de uma série de dispositivos cujo objetivo é de interceptar, captar, conduzir e desaguar de forma segura as águas provenientes de áreas adjacentes que precipitam no corpo estradal (DNIT, 2006). Os dispositivos mais comumente utilizados são: valetas de proteção de cortes e aterros, sarjetas de cortes e aterros, sarjeta de canteiro central, descidas e saídas d àgua, caixas coletoras, bueiros de greide, dissipadores de energia, escalonamento de taludes e corta-rios. As fotos das Figuras 2.2 a 2.5 ilustram alguns dos dispositivos citados.

5 Figura Sarjeta de corte Figura Descida d água degraus Figura Dissipador de energia Figura Descida d água Drenagem subsuperficial A tecnologia e as técnicas de drenagens utilizadas na implantação de um pavimento rodoviário nas ultimas décadas tem se desenvolvido significativamente. Pode-se dizer que o objetivo desta técnica de drenagem é de defender o pavimento das águas provenientes das infiltrações diretas das precipitações pluviométricas e as provenientes dos lençóis d água subterrâneos. Estas águas que atravessam os revestimentos com pavimento asfáltico podem causar sérios danos à estrutura do pavimento, inclusive base e sub-base, se não forem dotados de dispositivo especial para drená-las (DNIT, 2006) Camada drenante É uma camada de material granular, com granulometria apropriada colocada logo abaixo do revestimento asfáltico, com a finalidade de drenar as águas infiltradas para fora da pista de rolamento (DNIT, 2006). A ilustração da Figura 2.6 mostra o exemplo de uma camada drenante. Figura 2.6 Ilustração de camada drenante

6 Drenos rasos longitudinais São drenos que recebem as águas drenadas pela camada drenante, aliviadas pelos drenos laterais e transversais que recebem as águas por ele transportadas, quando atingida sua capacidade de vazão, encaminhando estas para a fora do leito estradal (DNIT, 2006) Drenos laterais de base Figura 2.7 Dreno longitudinal Tem a função de recolher as águas que se infiltram na camada de base, sendo usualmente utilizado em acostamentos que apresentam material de base com baixa permeabilidade, encaminhando as águas para fora da plataforma (DNIT, 2006) Drenos transversais São drenos posicionados de forma transversal ao leito rodoviário na totalidade da plataforma, usualmente localizados nos pontos baixos das curvas côncavas, ou outros locais necessários de base com permeabilidade alta (DNIT, 2006) Drenagem profunda ou subterrânea Os sistemas de drenagem profunda ou subterrânea têm por objetivo interceptar o fluxo da agua subterrânea através do rebaixamento do lençol freático protegendo assim a resistência do material do subleito, da base e do pavimento. Os drenos profundos geralmente são instalados em profundidades da ordem de 1,50m a 2,00m, nos trechos em corte, terrenos planos com lençol freático próximo ao subleito ou em áreas saturadas próximas ao pé dos taludes (DNIT, 2006). Os principais dispositivos de drenagem profunda de acordo com o Manual de Drenagem de Rodovias do DNIT, 2006, são: Drenos profundos; Drenos espinha de peixe; Colchão drenante; Drenos horizontais profundos;

7 Drenos verticais de areia; e Valetões laterais. 2.4 Deflexão no pavimento flexível Levantamentos defletométricos têm como objetivo avaliar a condição estrutural do pavimento, medindo, para isso, as deflexões reversíveis que ocorrem na superfície submetida a aplicação de uma carga. Os ensaios deflectométricos são realizados em intervalos pré-definidos e a norma que prescreve o método de ensaio para a determinação das deflexões é a DNER-ME 024/94. No presente Trabalho vai ser descrito o equipamento viga Benkelman (VB) conforme ilustração da Figura 2.8. Figura 2.8 Detalhe da viga Benkelman No ensaio executado com a VB as deflexões medidas são provocadas por um caminhão calibrado com 8,2 tf de carga no eixo traseiro e com pressão de pneus em 5,6 kg/cm 2 que se move a baixíssima velocidade, propiciando assim leituras no extensômetro. Com os resultados obtidos dos ensaios faz se o cálculo das deflexões pela expressão abaixo: Onde: D O = (L O L f ) X a/b (Equação 1) D0 - Deflexão Máxima; L0 - Leitura Inicial; Lf - Leitura Final; e a/b - Relação entre Braços, constante do aparelho 2.5 Deflexão característica A norma DNER-PRO 011/79 tem por objetivo estabelecer procedimentos necessários para avaliação estrutural dos pavimentos flexíveis, apontando possíveis causas de sua deficiência e fornecer elementos para o cálculo da vida restante do pavimento. Os procedimentos que deram origem a elaboração desta norma basearam-se na experiência de estudos onde se verificou certa correlação entre magnitude de deflexões e o surgimento de falhas na estrutura dos pavimentos.

8 Para a interpretação de dados proveniente de estudos, usa-se critério estatístico para interpretação das medidas. No estudo em questão a característica a ser avaliada é a deflexão característica, onde se tabula os valores individuais das deflexões encontradas nos pontos pré-estabelecidos. Diante dos valores, calcula-se a média aritmética, D, dos valores individuais, segundo a Equação 2 onde n representa o número de valores computados. D = CI D í)/n (Equação 2) Na sequência determina-se o valor do desvio padrão da amostra, σ, através da expressão da Equação 3: σ = Σ (Di D)² / (n-1) (Equação 3) O valor da deflexão característica é determinado pela somatória da média aritmética e do desvio padrão da amostra de acordo com a expressão da Equação 4. 3 ESTUDO DE CASO D = D e + (j (Equação 4) Buscando consolidar as informações colhidas na fundamentação teórica com relação à influência da drenagem subsuperficial ineficiente em um pavimento flexível cujo revestimento é de concreto asfáltico foi realizado levantamentos de campo no segmento objeto deste artigo da BR-116/SC. O segmento do pavimento estudado apresenta uma extensão de 880,00m, ou seja, do Km 88,120 ao Km 89,000. A pista possui largura de 7,2 m e acostamentos laterais de 2,5 m. Possui uma declividade longitudinal de 2,0% e 3,5% transversal para os bordos. Aproximadamente metade está construída sobre aterro e a outra metade em corte conforme foto da Figura 3.1. Figura 3.1 Trecho da Rodovia BR-116/SC

9 A estrutura do pavimento constitui-se de subleito argiloso, sub-base granular de 40,0 cm de espessura, camada de base granular com aproximadamente 20,0 cm e camada de rolamento em concreto asfáltico de 10,0 cm de espessura. Quando da concepção da implantação e melhoria do pavimento no ano de 1989 por parte do DNER/SC não foi previsto a implantação de drenagem subsuperficial no segmento ora em estudo conforme consulta ao projeto de engenharia original. Buscando avaliar a influência da água no desempenho do pavimento foi realizado no dia 18/03/2015 levantamentos deflectométricos, fazendo uso da VB devidamente calibrada, conforme norma DNER-ME 024/94, de propriedade da Empresa Concessionária Arteris no sentido de se verificar a condição que se encontrava o segmento anteriormente às intervenções. Um sistema de drenagem subsuperficial transversal (espinha de peixe) e longitudinal foi executado, buscando assim averiguar e comparar as leituras deflectométricas de antes e após a realização das intervenções no pavimento. A seguir é mostrado passo a passo da execução dos dispositivos de drenagem. - 1 passo: sondagens Realizou-se sondagem no dia 29/04/2015 para definir a profundidade necessária para a colocação dos drenos do tipo espinha de peixe em ambas as faixas da rodovia. As fotos das Figuras 3.2 e 3.2 as mostram. Figura 3.2 Presença de volume de água considerável na estrutura do pavimento Figura 3.3 Escoamento da água no fundo da vala no sentido dos bordos. 2 passo: escavação e limpeza de valas A foto da Figura 3.4 mostra a escavação da vala com profundidade de 1,5 m e 0,5 m de largura utilizando-se retroescavadeira com caçamba estreita de acordo com a largura dos drenos, enquanto a foto da Figura 3.5 mostra a limpeza da vala para a confecção dos drenos profundos.

10 Figura 3.4 Abertura da vala Figura 3.5 Limpeza e regularização da vala - 3 passo: instalação do material filtrante A foto da Figura 3.6 mostra a preparação para a colocação da manta de poliéster e a da Figura 3.7 mostra a manta de poliéster já colocada. Figura 3.6 Preparação para colocação da manta Figura 3.6 Colocação da manta geotêxtil - 4 passo: instalação de tubo coletor/condutor A foto da Figura 3.8 mostra o lançamento do tubo plástico, elemento condutor do dreno. - 5 passo: colocação do material filtrante Figura 3.8 Lançamento do tubo drenante

11 As fotos das Figuras 3.9 a 3.12 mostram a colocação e fechamento do material drenante envolvido que foi com a manta de poliéster que desempenha papel de material filtrante. Figura 3.9 Preenchimento com material drenante Figura 3.10 Regularização do material drenante Figura 3.11 compactação Figura 3.12 Fechamento do dreno com manta 6 passo: recomposição asfáltica de valas As fotos das Figuras 3.13 a 3.16 mostram a execução do revestimento asfáltico. Figura 3.13 Pintura de ligação Figura 3.14 Espalhamento do concreto asfáltico

12 Figura 3.15 Compactação Figura 3.16 Serviço finalizado A mesma sequência de serviços executados nos drenos transversais (espinha de peixe) foi realizado para a execução dos drenos longitudinais, ilustrados nas figuras 3.17 e 3.18 Figura 3.17 Abertura da vala Figura 3.18 Presença de água na vala 4 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS As deflexões recuperáveis levantadas antes e após a intervenção proposta estão apresentadas no Apêndice 1. A seguir seguem os resumos dos resultados obtidos antes e após intervenção proposta no estudo de caso, nos dois sentidos. O Quadro 4.1 mostra o resumo referente à trilha de roda externa da faixa esquerda, sentido norte (Divisa SC/PR) antes da execução dos dispositivos de drenagem.. Quadro 4.1 Resultados das deflexões Número de estacas = 45 Deflexão média Desvio Padrão (σ) = 73,87 x 10-2 mm Coeficiente de Variação = 18,70% = 13,81 x 10-2 mm Deflexão característica = 87,68 x 10-2 mm

13 O Quadro 4.2 mostra o resumo após a execução dos dispositivos de drenagem. Quadro 4.2 Resultados das deflexões Número de estacas = 45 Deflexão média Desvio Padrão (σ) = 52,89 x 10-2 mm = 16,07 x 10-2 mm Coeficiente de Variação = 30,38% Deflexão característica = 68,95 x 10-2 mm Os resultados experimentais obtidos das deflexões recuperáveis antes e depois da execução dos dispositivos de drenagem verificou-se uma redução na ordem dede 21,4% nas médias das leituras. O Quadro 4.3 mostra o resumo referente à trilha externa da faixa direita, sentido sul (Divisa SC/RS) antes da execução dos dispositivos de drenagem. Quadro 4.3 Resultados das deflexões Número de estacas = 45 Deflexão média Desvio Padrão (σ) = 65,60 x 10-2 mm = 18,71 x 10-2 mm Coeficiente de Variação = 28,52% Deflexão característica = 84,31 x 10-2 mm O Quadro 4.4 mostra o resumo após a execução dos dispositivos de drenagem Quadro 4.4 Resultados das deflexões Número de estacas = 45 Deflexão média Desvio Padrão (σ) = 50,84 x 10-2 mm = 12,26 x 10-2 mm Coeficiente de Variação = 24,11% Deflexão característica = 63,10 x 10-2 mm Os resultados experimentais obtidos das deflexões recuperáveis antes e depois da execução dos dispositivos de drenagem verificou-se uma redução na ordem dede 25,15% nas médias das leituras em ambos os sentidos do subtrecho da BR-116/SC. 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS Durante o desenvolvimento do trabalho e baseados nas deflexões características calculadas, concluise que houve uma relevante diminuição das mesmas após intervenção dos dispositivos de drenagem citados. Os resultados mostram que a redução dos valores das deflexões em média de 22,06 %, considerando todos os pontos analisados.

14 O presente estudo que era o objetivo principal do Artigo demonstrou também a necessidade de uma investigação das condições da drenagem geral em outros trechos de rodovias já consolidados ou em desenvolvimento, buscando a assertividade na solução dos problemas causadores da degradação precoce dos pavimentos em geral. Importante ressaltar que estudos das condições de drenagem deveriam ocorrer de forma mais sistêmica, assim os técnicos teriam a oportunidade de comparar as medidas deflectométricas no decorrer da vida útil do pavimento. Pode-se destacar ainda o fato que após concluídas e comparadas as leituras de deflexões finalizada a execução dos drenos, a Concessionária realizou um recapeamento asfáltico em todo o segmento com drenagem subsuperficial, no sentido de mensurar e comparar a influência desta segunda etapa de melhoria, no suporte da estrutura do pavimento. Assim para futuros trabalhos indicamos que sejam realizados ensaios deflectométricos após o recapeamento executado, como forma de comparar ainda mais a melhoria ou não da deflexão característica. 6 REFERÊNCIAS VARGAS,M. Introdução à Mecânica dos Solos. São Paulo, Editora Mc-Grow Hill do Brasil CEDERGREN, H, R. Drainage of Highway and Airfield Pavements. New York, Wiley, DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS DE RODAGEM. Manual de pavimentação. Rio de Janeiro, DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS DE RODAGEM. Manual de drenagem. Rio de Janeiro, DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS DE RODAGEM. Especificações Gerais de Obras Rodoviárias. Rio de Janeiro, JABÔR, M.A. A importância da drenagem de pavimento na rodovia. 36ª Reunião Anual de Pavimentação - 36ª RAPv. CURITIBA/PR BRASIL 24 a 26 de agosto de BERNUCCI, Liedi Bariani; MOTTA, Laura Maria Goretti da; CERATTI, Jorge Augusto Pereira; SOARES, Jorge Barbosa. Pavimentação asfáltica: formação básica para engenheiros. PETROBRAS, AZEVEDO, A.M. Considerações sobre a drenagem subsuperficial na vida útil dos pavimentos rodoviários. Dissertação (Mestrado). São Paulo, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, MOULTON, L.K. Highway Subdrainage Design. Report n FHWA-TS Federal Highway Administration, OQUENDO PEREIRA, A.C. Influência da drenagem subsuperficial no desempenho de pavimentos asfálticos p. Dissertação (Mestrado) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, USP, 2003.