Notas de aula prática de Mecânica dos Solos I (parte 10)

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1 1 Notas de aula prática de Mecânica dos Solos I (parte 10) Helio Marcos Fernandes Viana Tema: Ensaio CBR (California Bearing Ratio) Conteúdo da aula prática 1 Importância do ensaio CBR ou Índice de Suporte Califórnia (ISC), com medida de expansão 2 Tipos de ensaio CBR 3 Principais características do ensaio CBR, com medida de expansão (considerando-se ensaio CBR de 5 pontos) 4 Correção da curva de pressão-penetração do ensaio CBR para 1 (um) corpo-de-prova ensaiado 5 Resultados finais do ensaio CBR (tipo 5 pontos) 6 Relação existente entre a camada do pavimento rodoviário e a energia de compactação usada no ensaio CBR

2 2 1 Importância do ensaio CBR ou Índice de Suporte Califórnia (ISC), com medida de expansão O ensaio CBR (California Bearing Ratio) ou Índice de Suporte Califórnia (ISC) é importante nos seguintes casos: a) Para o dimensionamento do pavimento de estradas (ou rodovias) pelo método do DNER (atual DNIT); b) Para o controle tecnológico dos materiais empregados na construção do pavimento de estradas (ou rodovias); e c) Para o dimensionamento do pavimento de pistas de aeroportos. OBS(s). a) DNIT é o Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes; e b) DNER era o Departamento Nacional de Estradas de Rodagem. 2 Tipos de ensaio CBR O ensaio CBR foi introduzido em 1928 pelo Departamento de Estradas e Rodagem do Estado da Califórnia (Estados Unidos). Existem 3 (três) tipos de ensaio CBR, os quais são: i) CBR de 1 ponto ou CBR; ii) CBR de 5 pontos; e iii) CBR completo. O CBR de 1 ponto destina-se geralmente à caracterização do subleito. O CBR de 5 pontos é utilizado no estudo de subleitos, subbases, bases de pavimentos, inclusive no estudo de jazidas; Além disso, é o método do DNER atual DNIT para o dimensionamento de pavimentos rodoviários. O CBR completo destina-se a determinação do CBR de projeto de jazidas de empréstimo. OBS(s). a) Trataremos, apenas, do CBR de 5 pontos, que é o método adotado pelo DNER atual DNIT; b) Maiores informações do CBR de 1 ponto consulte: DNER-ME ou Lima et al. (1985); e c) Maiores informações do CBR completo consulte Lima et al. (1985).

3 3 3 Principais características do ensaio CBR, com medida de expansão (considerando-se ensaio CBR de 5 pontos) As principais características do ensaio CBR de 5 pontos, podem ser divididas em 2(duas) partes, as quais são descritas como se segue: 1. o (primeira) Parte do ensaio CBR: Moldagem dos corpos-de-prova Os principais passos da moldagem dos corpos-de-prova do ensaio CBR são descritos a seguir: i) Para moldar 1 (um) corpo-de-prova do ensaio CBR, deve-se utilizar uma amostra de 7 kg de solo (para solos arenosos), ou de 6 kg de solo (para solos siltosos ou argilosos); Além disso, a amostra de solo deverá estar em um teor de umidade inicial pré-estabelecido; ii) O solo da amostra deve ser compactado em cilindro grande ( = 15,2 cm), em 5 camadas, com uso do soquete grande (4,5 kg) e altura de queda 45,7 cm; iii) O número de golpes dados em cada camada de solo, do corpo-de-prova, depende da energia de compactação de projeto, a qual pode ser: normal, intermediária ou modificada; iv) Uma porção de ± 100 g de solo deve ser retirada do solo da amostra para determinação da umidade; OBS. O símbolo significa diâmetro, e é a letra grega fi. v) Repetem-se os processos descritos no item i a iv, para moldagem de mais alguns corpos-de-prova com teores de umidade crescentes (cerca de 1%, a mais, de umidade de um corpo-de-prova para outro); vi) O número de corpos-de-prova moldados, no ensaio, deve ser o necessário para traçar a curva de compactação do solo, geralmente, utilizam-se 5 (cinco) corpos-deprova; OBS. O procedimento de traçado da curva de compactação no ensaio CBR é semelhante ao traçado da curva de compactação do ensaio de compactação de Proctor. vii) Os procedimentos para calcular e traçar a curva de compactação do solo, através dos corpos-de-prova do ensaio CBR, estão descritos na norma DNER-ME 049/94; e viii) Os corpos-de-prova moldados em teores umidades diferentes, também são usados para os ensaios de expansão e penetração.

4 4 2. o (segunda) Parte do ensaio CBR: Ensaios de expansão e penetração Os ensaios de expansão e penetração devem ser realizados em cada um dos corpos-de-prova moldados em umidades diferentes; As principais características dos ensaios de expansão e penetração são: i) Após a moldagem de um corpo-de-prova, instala-se no corpo-de-prova: o disco perfurado com haste vertical, as sobrecargas e o tripé com o extensômetro; ii) Realiza-se a primeira leitura no extensômetro antes da imersão do corpo-de-prova na água; iii) Na sequência, o corpo-de-prova deve ser imerso por 96 horas (4 dias), e as expansões do solo são medidas, de 24 em 24 horas, através do extensômetro instalado no tripé; OBS(s). a) expansão do solo corresponderá a maior expansão obtida em 96 horas; e b) Após retirar o corpo-de-prova da imersão, o corpo-de-prova é pesado para determinação da água absorvida durante a imersão do corpo-de-prova. iv) Após os 4 dias, o corpo-de-prova é retirado da água. Então, deve-se deixar a água escoar do corpo-de-prova por 15 minutos; v) Após a água escoar do corpo-de-prova; O corpo-de-prova é levado à prensa CBR, onde sofre a penetração com o pistão ( = 4,96 cm); vi) Durante a penetração do pistão, anota-se as leituras no anel dinamométrico, correspondentes às penetrações de: 0,63; 1,27; 1,90; 2,54; 3,81; 5,08; 7,62; 10,16 e 12,70 mm; vii) Na sequência, determinam-se as cargas de penetração, e traça-se a curva pressão aplicada para penetração do pistão (kgf/cm 2 ) versus penetração do pistão (mm); viii) Nesta etapa, deve-se fazer a correção da curva pressão aplicada para penetração do pistão (kgf/cm 2 ) versus penetração do pistão (mm); dando nova origem à curva. ix) Após corrigir a curva do ensaio, determina-se os CBR(s) correspondentes às penetrações de 2,54 mm e 5,08 mm com base nas pressões padrão de referência; x) O CBR do material será o maior dos 2 (dois) valores obtidos com as penetrações de 2,54 mm ou 5,08 mm; e xi) Durante o ensaio, medem-se os tempos de penetração, para verificar a velocidade de penetração do pistão, que deve ser 1,27 mm/min. OBS. As pressões padrão para o cálculo do CBR são: 70 kgf/cm 2 para penetração de 2,54 mm, e 105 kgf/cm 2 para penetração de 5,08 mm, estas pressões correspondem ao CBR de 100 % para o material padrão, que é a brita graduada de alta resistência. A Figura 3.1 ilustra um corpo-de-prova do ensaio CBR submerso na piscina, antes da sua ruptura em uma prensa CBR. Pode-se observar, na Figura 3.1, a presença do tripé com o extensômetro sobre o corpo-de-prova, onde se faz as leituras de expansão do corpo-de-prova de forma indireta pela haste vertical do disco perfurado.

5 5 Figura Um corpo-de-prova do ensaio CBR submerso na piscina, antes da sua ruptura em uma prensa CBR A Figura 3.2 ilustra um corpo-de-prova sendo rompido em uma prensa CBR. Figura Corpo-de-prova sendo rompido na prensa CBR A Tabela 3.1 mostra um exemplo dos resultados de um ensaio CBR, os quais foram obtidos da penetração de 1 (um) corpo-de-prova, do solo da jazida Linhão do Broa (São Carlos - SP). Observa-se que o equipamento de ensaio CBR apresenta as seguintes características: a) K = constante do anel dinamométrico = 45,5; b) D = diâmetro do pistão de penetração = 4,96 cm; e c) A = área da seção do pistão de penetração = 19,32 cm 2.

6 6 OBS. Na Tabela 3.1, as pressões obtidas no ensaio CBR, com o solo da jazida Linhão do Broa, ainda não foram corrigidas. Tabela Exemplo dos resultados da penetração de 1 (um) corpo-de-prova, do solo da jazida Linhão do Broa (São Carlos - SP), durante o ensaio CBR Penetração do pistão (mm) Leitura no anel dinamométrico Ca = Carga aplicada ao corpo-de-prova (kgf) Pn = Pressão aplicada ao corpo-de-prova (não corrigida) (kgf/cm 2 ) Pentra. ( Lt ) ( Ca = Lt x K ) ( Pn = Ca / A ) 0,63 3,5 159,25 8,2 1,27 5,9 268,45 13,9 1,90 8,2 373,1 19,3 2,54 10,5 477,75 24,7 3,81 13,4 609,7 31,6 5,08 16,3 741,65 38,4 7,62 19,5 887,25 45,9 10,16 22,1 1005,55 52,0 12,70 24,4 1110,2 57,5 OBS(s). K = Constante do anel = 45,5 D = Diâmetro do pistão de penetração = 4,96 cm A = área do pistão de penetração = 19,32 cm Cálculo do CBR ou Índice Suporte Califórnia de 1 (um) corpo-de-prova O Valor do CBR ou Índice Suporte Califórnia (ISC) para 1 (um) corpo-deprova será o maior dos 2 (dois) valores obtidos das seguintes equações: pressão corrigida para penetração CBR ISC 2 70 kgf / cm de 2,54 mm x100% (3.1) pressão corrigida para penetração CBR ISC kgf / cm de 5,08 mm x100% (3.2) 4 Correção da curva de pressão-penetração do ensaio CBR para 1 (um) corpode-prova ensaiado Para correção da curva pressão-penetração do ensaio CBR, para 1 (um) corpo-de-prova ensaiado, com base na Figura 4.1, procede-se do seguinte modo: a) Através do ponto inflexão da curva pressão-penetração, traça-se uma tangente nesse ponto, até que a tangente intercepte o eixo das abscissas; b) A nova curva, que corresponde à curva corrigida, será dada pela soma da tangente mais a porção convexa da curva pressão-penetração original;

7 7 c) A origem da curva corrigida será o ponto em que a tangente corta o eixo das abscissas; d) c é a distância entre a nova origem dos eixos e a antiga origem dos eixos, das curvas nova e antiga respectivamente; e e) Para se determinar as novas pressões correspondentes às penetrações de 2,54 mm e 5,08 mm, basta adicionar c aos pontos correspondentes às penetrações de 2,54 mm e 5,08 mm no eixo das abscissas. A Figura 4.1 ilustra a correção da curva de pressão-penetração do ensaio CBR para 1 (um) corpo-de-prova ensaiado. OBS. Ponto de inflexão é o ponto em que uma curva muda de aspecto; por exemplo o ponto em que a curva passa de côncava para convexa. Figura Correção da curva de pressão-penetração do ensaio CBR para 1 (um) corpo-de-prova ensaiado

8 8 5 Resultados finais do ensaio CBR (tipo 5 pontos) 5.1 Determinação do peso específico máximo do solo seco e do teor de umidade ótimo Os valores dos pesos específicos secos e dos teores de umidades de cada corpo-de-prova do ensaio CBR permitirão o traçado da curva de compactação do solo. A ordenada máxima da curva de compactação corresponde ao peso específico máximo do solo seco. A abscissa do peso específico máximo do solo seco corresponde ao teor de umidade ótimo do solo. 5.2 Determinação do CBR ou Índice de Suporte Califórnia final De preferência, uma única folha é usada para representar: a curva de compactação do solo, a curva do o CBR do solo e a curva de expansão do solo. Na folha única, usa-se uma parte inferior da folha para traçar a curva de compactação do solo, e para traçar a curva da expansão do solo. Na folha única, usa-se a parte superior da folha para traçar a curva do CBR do solo, com base no CBR de cada corpo-de-prova. A vertical que passa pela curva CBR, correspondente ao peso específico máximo do solo seco, do ensaio de compactação, fornece o valor do CBR final ou Índice de Suporte Califórnia final do solo. A Figura 5.1 mostra uma folha usada para o ensaio CBR 5 pontos, o qual é normatizado pela DNER-ME 049/94.

9 Figura 5.1- Folha usada para o ensaio CBR 5 pontos, o qual é normatizado pela DNER-ME 049/94 9

10 Expansão O gráfico da expansão do solo pode ser traçado utilizando-se a mesma folha usada para traçar a curva de compactação; Pois, pode ser aproveitado o eixo das ordenadas do lado direito da folha para determinar a expansão de cada corpo-deprova do ensaio. A expansão de cada corpo-de-prova do ensaio CBR pode ser calculada pela seguinte equação: (IF Io ).100 E (5.1) em que: L E = expansão do corpo-de-prova submetido à imersão (%), com aproximação de 0,1%; I F = maior leitura feita no extensômetro durante os 4 dias de imersão (mm), com aproximação de 0,01 mm; I O = leitura do extensômetro antes da imersão do corpo-de-prova na água (mm), com aproximação de 0,01 mm; e L = altura inicial da amostra (ou do corpo-de-prova) (mm), com aproximação de 1 mm. 6 Relação existente entre a camada do pavimento rodoviário e a energia de compactação usada no ensaio CBR i) A camada do pavimento rodoviário, e o tipo de energia usada para compactar os corpos-de-prova do ensaio CBR Geralmente, a energia usada na compactação dos corpos-de-prova do ensaio CBR está relacionada a uma camada do pavimento rodoviário; Assim sendo, tem-se: a) Para solos de subleito de pavimento, usa-se a energia de compactação normal no ensaio CBR; b) Para solos de bases ou subbases, pode-se utilizar a energia de compactação intermediária no ensaio CBR; e c) Para solos de bases e subbases, também, pode-se utilizar a energia de compactação modificada no ensaio CBR. ii) Características de compactação dos corpos-de-prova do ensaio CBR de acordo com a camada do pavimento rodoviário a) As principais características de compactação dos corpos-de-prova do ensaio CBR, na energia normal, para materiais de subleito são: -> Utilização do soquete grande de 4,54 kg; -> Altura de queda do soquete = 45,7 cm; -> Diâmetro do soquete usado = 5,00 cm; -> Número de golpes por camada = 12; -> Número de camadas de solo do corpo-de-prova = 5; e -> Uso do molde cilíndrico de diâmetro = 15,2 cm.

11 11 b) As principais características de compactação dos corpos-de-prova do ensaio CBR, na energia intermediária, para materiais de base e subbase são: -> Utilização do soquete grande de 4,54 kg; -> Altura de queda do soquete = 45,7 cm; -> Diâmetro do soquete = 5,00 cm; -> Número de golpes por camada 26; -> Número de camadas compactadas do corpo-de-prova = 5; e -> Uso do molde cilíndrico de diâmetro = 15,2 cm. c) As principais características de compactação dos corpos-de-prova do ensaio CBR, na energia modificada, para materiais de base e subbase são: -> Utilização do soquete grande de 4,54 kg; -> Altura de queda do soquete = 45,7 cm; -> Diâmetro do soquete = 5,00 cm; -> Número de golpes por camada 56; -> Número de camadas compactadas do corpo-de-prova = 5; e -> Uso do molde cilíndrico de diâmetro = 15,2 cm. OBS(s). a) O esquema de compactação do corpo-de-prova deve ser o mais uniforme possível, distribuindo-se os golpes na periferia e no centro do corpo-de-prova; e b) Por exemplo, para 1 (uma) camada de 56 golpes, tem-se 13 golpes na periferia e 1 golpe no cetro, repetindo-se este processo 4 vezes. Referências Bibliográficas DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS E RODAGEM. DNER-ME Índice de suporte Califórnia de solos DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS E RODAGEM. DNER-ME 049/94. Solos - determinação do índice de suporte Califórnia utilizando amostras não trabalhadas. Rio de Janeiro, FABBRI, G. T. P. Relatório de ensaios da disciplina Laboratório de Infra- Estrutura de Transportes. STT5873-3/2. São Carlos - SP: Escola de engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo FEDERAL AVIATION ADMINISTRATION AC/150/5320-6D - 7/7/95 Airport pavement design and avaluation HORONJEFF, R. Aeroportos planejamento e projeto. Traduzido e adaptado por Heitor Lisboa de Araújo. Rio de Janeiro - RJ: Livro técnico S. A., p. LIMA, D. C.; RÖHM, S. A.; BUENO, B. S. Tópicos em estradas. Viçosa - MG: Universidade Federal de Viçosa, p. LIMA, D. C. Notas de aulas de Pavimentação. CIV-311. Viçosa - MG: Universidade Federal de Viçosa