ENSAIO DE PUNCIONAMENTO CONSIDERANDO CONDIÇÕES DE CAMPO

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1 ENSAIO DE PUNCIONAMENTO CONSIDERANDO CONDIÇÕES DE CAMPO Elemar J. Taffe Jr(PG); Delma Vidal (PQ) e Régis M. Rodrigues (PQ) Divisão de Engenharia de Infra-Estrutura Aeronáutica elemar@infra.ita.br Resumo O trabalho apresenta uma análise da capacidade de carga em sistemas solo/reforço, a partir de ensaios de puncionamento estático com punção tipo CBR adotado para a caracterização de geossintéticos, e compara o comportamento com e sem reforço e o ganho de capacidade de carga em função da resistência no ensaio com o geotêxtil isolado. O ganho de capacidade de carga é estudado em função da massa especifica aparente seca e do teor de umidade do solo, considerando o uso de geotêxteis tecidos e não tecidos. Abstract The work makes an analysis of the bearing capacity of the soil/reinforcement system, from static puncture tests (CBR tests) for geotextiles characterisation, comparing the behavior with and without reinforcement and the bearing capacity earnings in function of the resistance of the test with the isolated geotextile. The earnings of bearing capacity is studied in function of the dry unit mass and the water content of the soil, considering the use of woven and nonwoven geotextiles. 1. INTRODUÇÃO Na construção de estradas e ferrovias, os geossintéticos desempenham um papel importante, melhorando a capacidade de suporte do subleito e/ou aumentando a vida útil do sistema. Aterros reforçados com geossintéticos propiciam economias substanciais em relação a soluções tradicionais, tais como a substituição de solo, a utilização de solo-cimento e outras. Em áreas de solo muito moles eles podem, inclusive, permitir a entrada de equipamentos pesados que, em outras circunstâncias, teriam dificuldades em ser utilizados. Os ganhos introduzidos por esta técnica, já habitual em obras rodoviárias, podem ser também utilizados no reforço de fundações rasas, com a facilidade do processo de análise estar associado à uma condição de solicitação estática, bem mais simples que o caso de cargas repetidas. Fabrin (1999) discute diversos ensaios apresentados na literatura e os métodos de dimensionamento usualmente empregados para estimar a capacidade de carga do sistema solo/reforço. Klein et al (2002) apresentam de modo resumido os fatores que influenciam esta aplicação. O conhecimento das características de comportamento mecânico dos geossintéticos e a sua manutenção no tempo são muito importantes para o projetista. A determinação da resistência à penetração por puncionamento estático está incluída dentro dos chamados ensaios de caracterização ou ensaios índice, ou seja, que tem por objetivo determinar as características básicas do geossintético, sem levar em consideração sua interação com os meios adjacentes e o meio ambiente, nem com as solicitações da obra. Esta propriedade não é fundamental nos projetos de reforço de fundações rasas, que, geralmente, levam em consideração as características do comportamento do geossintético em tração. Segundo Vidal (1994) a resistência à penetração estática está relacionada ao comportamento em tração dos geossintéticos e é determinada através de um ensaio simples. Como o procedimento do ensaio de puncionamento permite também realizar ensaios no sistema solo/reforço e gera curvas carga x penetração, optou-se por utilizá-lo numa avaliação do comportamento destes sistemas. De acordo com Vidal (1993), o ensaio de puncionamento CBR já vem sendo utilizado para avaliar efeitos da superposição de camadas de geossintéticos O objetivo deste trabalho é avaliar efeitos como o da variação da rigidez do suporte em função de seu teor de umidade e discutir a possibilidade de estudar de forma simples alguns dos fatores de influência no caso do reforço de fundações rasas. Para tanto, foram realizados ensaios com o sistema solo/reforço e somente solo, além dos ensaios de caracterização dos geotêxteis, no mesmo equipamento utilizado para determinar a resistência à penetração em puncionamento estático, que até então vem sendo somente aplicado para ensaio para caracterização de geossintéticos. 1

2 2. MATERIAIS EMPREGADOS 2.1 Geotêxteis Foram utilizados nesta etapa da pesquisa um geotêxtil não tecido agulhado de filamentos de poliéster e um geotêxtil tecido de laminetes de polipropileno, com resistência média à penetração em ensaio de puncionamento estático tipo CBR de 4,0 kn (C.V.=11,1%) e 2,2 kn (C.V.=10,0 %) respectivamente. 2.2 Solo O solo utilizado nos ensaios é proveniente da cidade de São José dos Campos, estado de São Paulo. A amostra foi retirada de um corte em um talude próximo a Rodovia Presidente Dutra. Foram realizados ensaios de análise granulométrica segundo a norma NBR 7181 (1984). Segundo a classificação ASTM, o solo foi denominado com uma argila muito plástica e segundo a classificação AASHTO - HRB, como argila A-7-6. Também foram realizados ensaios para determinação de limite de liquidez (LL) e limite de plasticidade (LP) seguindo os procedimentos descritos nas normas NBR 649 (1984) e NBR 7180 (1984). Os valores encontrados foram de LL=2% e LP=20%. 3. PREPARAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA 3.1 Solo Foram compactados 8 corpos de prova para 4 diferentes valores de teor de umidade. Todos os corpos de prova foram compactados em cilindro CBR na energia de Proctor Normal, ou seja, com 12 golpes e camadas. Na Tabela 1 são apresentados os ensaios realizados com os valores de teor de umidade e massa específica aparente seca obtidos. Ensaios com solo Tabela 1. Resumo dos ensaios realizados. CP h (%) γ (g/cm3) Veloc. Tipo de Ensaio (mm/min) CP 1 16,0 1,41 0 Solo / Geotêxtil Não Tecido CP 2 16,2 1,43 0 Solo CP 3 18,3 1,8 0 Solo CP 4 18,4 1,7 0 Solo / Geotêxtil Não Tecido CP 21, 1,38 0 Solo / Geotêxtil Não Tecido CP 6 22,1 1,39 0 Solo CP 7* 23,9 1,4 0 Solo* / Geotêxtil Tecido CP 8* 23,6 1,60 0 Solo* Ensaio de Caracterização dos Geotêxteis ( corpos de prova cada) * solo reutilizado sem secagem prévia 0 Geotêxtil tecido e não tecido 3.2 Geotêxtil Para os ensaios com geotêxteis foram retirados corpos-de-prova da amostra escolhida, obedecendo-se os critérios recomendados na norma NBR 1293 (1992). 4. ENSAIOS REALIZADOS 4.1 Procedimento Geral A Figura 1 apresenta esquemas dos ensaios realizados e as dimensões adotadas. O método de ensaio adotado, normalizado pela ABNT através da NBR1339 (199) Geotêxtil Determinação da resistência ao puncionamento estático Ensaio com punção CBR, consiste em submeter um corpo de prova de geotêxtil ou produto correlato, fixado entre dois anéis metálicos apoiados sobre um cilindro CBR, à pressão aplicada por um punção cilíndrico que se desloca à velocidade constante, perpendicularmente a esse corpo de prova e sobre seu eixo central. A velocidade de penetração do 2

3 punção indicada pela norma é de 0 mm/min. As dimensões do punção e sua forma, a área livre do corpo de prova e a velocidade de ensaio são fatores que afetam profundamente os resultados obtidos (Vidal, 2001). Os ensaios realizados com solo (Fig. 1b e 1c) seguiram o mesmo procedimento com a diferença que o cilindro estava preenchido pelo solo previamente compactado. Solo Solo (a) (b) (c) Figura 1. Esquemas dos ensaios realizados. As leituras foram realizadas de cinco em cinco segundos. Os resultados devem ser apresentados em uma curva de força em kn por penetração em mm. 4.2 Ensaio de Puncionamento com Solo Após a compactação dos corpos de prova, os mesmos foram colocados em sacos plásticos para que não houvesse nenhuma alteração com relação à umidade. Foram submetidos a este ensaio, corposde-prova de solo com teores de umidades de aproximadamente 16%, 18%, 22% e 24%. Não foram aplicadas sobrecargas sobre o solo no ensaio. O punção foi ajustado de modo que ficasse no topo do corpo de prova, em contato com o solo antes do início do ensaio. A Figura 1b mostra um esquema do ensaio de puncionamento com solo. 4.3 Ensaio de Puncionamento com Solo e Geotêxtil A Figura 1c mostra esquematicamente como foram realizados os ensaios. Terminada a etapa de compactação, os corpos de prova foram colocados dentro de sacos plásticos para não haver perda de umidade. Em seguida, foi iniciada a realização dos ensaios no equipamento de puncionamento estático com punção CBR. Nos ensaios com solo e geotêxtil, os corpos-de-prova de solo tiveram que ser deslocados aproximadamente 1 cm para fora do cilindro, isto por que existia um intervalo de 1 cm entre o geotêxtil e a superfície do solo, pelo fato do uso de anéis metálicos para fixação do geotêxtil. Após a fixação do corpo-de-prova de geotêxtil entre os dois anéis metálicos, o punção deve ser posicionado de modo que fique em contato com o geotêxtil e este com o solo, desde modo o ensaio pode ser iniciado.. APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS A Figura 2 apresenta os resultados dos ensaios de puncionamento com solo e geotêxtil não tecido isolados e do sistema solo/geotêxtil não tecido para solos com teor de umidade de 16%, 18% e 22% respectivamente. A curva apresentada como sendo do ensaio com geotêxtil isolado, é a curva média de todos os ensaios com geotêxtil não tecido. 3

4 pressão (kn /m 2) Solo/GeotextilNão Tecido(16% ) Solo (16% ) G eotextiln ãotecido (a) pressão (kn /m 2) Solo/GeotextilNão Tecido(18% ) Solo (18% ) G eotextiln ãotecido (b) pressão (kn /m 2) Solo/GeotextilNão Tecido(22% ) Solo (22% ) G eotextiln ãotecido Figura 2. Resultado dos ensaios de puncionamento com solo, geotêxtil não tecido e solo/geotêxtil não tecido. (c) 4

5 As curvas apresentadas na Figura 3 foram originadas a partir das curvas dos demais ensaios. Estas curvas representam a relação entre a resistência do sistema solo/geotêxtil e a resistência do solo sem reforço, para cada valor de penetração. 3,0 Resistência Solo/Geotêxtil e Resistência Solo 2, 2,0 1, 1,0 Relação Solo/Geotêxtil Não Tecido e Solo (h=16%) Relação Solo/Geotêxtil Não Tecido e Solo (h=18%) 0, Relação Solo/Geotêxtil Não Tecido e Solo (h=22%) Relação Solo/Geotêxtil Tecido e Solo (h=24%) 0, penetração (mm) Figura 3. Relação entre resistência do sistema solo/geotêxtil e solo. 6. COMENTÁRIOS Este trabalho apresenta uma análise do ganho de resistência com a inclusão de reforço com geossintéticos em solo através do ensaio de puncionamento estático convencional para geossintéticos. De acordo com os resultados obtidos, apresentados nas Figuras 2 e 3, pode-se apontar as seguintes questões: Os resultados obtidos mostraram claramente o aumento de resistência do solo com a inclusão do reforço com geotêxteis. O maior ganho de resistência com a presença do reforço ocorreu nos corpos de prova com maior teor de umidade, como pode ser verificado na Figura 3, ou seja, na pior situação, com solo de maior grau de saturação, ou seja, de capacidade de suporte esperada menor, o ganho de resistência do sistema solo/geotêxtil é maior; Apesar dos valores de resistência máxima de pico do sistema solo/geotêxtil apresentarem grandes variações em função do teor de umidade, o rompimento dos geotêxteis nos sistemas solo/geotêxtil ocorreram praticamente com a mesma deformação (cerca de 2 mm) pois o comprimento total deformado para esta penetração é equivalente ao do ensaio sem solo. A Figura 2 mostra o tipo de curva realizado em cada caso; Pode-se verificar também, que os geotêxteis, tanto o não tecido como o tecido, somente começaram a atuar como reforço após uma determinada deformação ( a 7 mm). O caso com teor de umidade de 16% foi o que apresentou ganhos a menores penetrações. Entre as causas possíveis, poderíamos considerar que a sucção induz tensões internas no solo mais elevadas, tornando o material menos compressível, com maior reação ao efeito confinante do geotêxtil; Os resultados evidenciam a importância da rigidez do geossintético e do pré-estiramento no momento da instalação no campo, a fim de diminuir os recalques. Como sugestão para futuros trabalhos, podemos indicar o estudo dos efeitos da rigidez do reforço e do atrito de interface, a velocidade de ensaio e o uso de outros materiais. Um estudo que considerasse os parâmetros de resistência do solo suporte, poderia avaliar a possibilidade de, através deste ensaio, estimar a capacidade de carga do sistema solo/reforço.

6 AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CAPES, pelo suporte financeiro aos trabalhos de pesquisa, bem como ao laboratorista Reinaldo e aos colegas Fernando e Cláudio pelo apoio na realização dos ensaios. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] ABNT, NBR Solo - Análise Granulométrica, 1984, 13 p. [2] ABNT, NBR Solo - Determinação do Limite de Liquidez, 1984, 6 p. [3] ABNT, NBR Solo - Determinação do Limite de Plasticidade, 1984, 3 p. [4] ABNT, NBR Geotêxteis - Amostragem e preparação de corpos de prova Procedimento, 1992, 4 p. [] ABNT, NBR-1339 Geotêxteis: Determinação da Resistência ao Puncionamento Estático - Ensaio com Punção CBR, 199, Associação Brasileira de Normas Técnicas,, 4 p. [6] Fabrin, T. W.,O uso de geossintéticos no reforço de fundações: aplicação ao caso de fundações enterradas. Dissertação de Mestrado, Divisão de Engenharia de Infra-Estrutura Aeronáutica, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, 1999, São José dos Campos. [7] Klein, R. J., Vidal, D., Rodrigues, R.M., Reforço de fundações rasas com geossintético: efeitos nas propriedades do material compactado, Pesquisa em andamento (submetido ao XII COMBRAMSEG), Instituto Tecnológico de Aeronáutica, 2002, São José dos Campos. [8] Vidal, D., Gourc, J.P., Purwanto, E., The CBR puncture test applied to geomembranes, 4 th International Conference on Geotextile, Geomembranes and Related Products, 1994 Singapore,. [9] Vidal, D., Costa M.A.C., Resistência ao puncionamento estático de geotêxteis e geomembranas, 8º Simpósio Brasileiro de Impermeabilização São Paulo,, pp [10] Vidal, D., Os Geossintéticos e suas funções, Apostila do Curso Aplicação de Geossintéticos à Obras Civis Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos,. 6