V JORNADAS LUSO-BRASILEIRAS DE PAVIMENTOS: POLÍTICAS E TECNOLOGIAS

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1 CORRELAÇÕES ENTRE ÍNDICES DE PENETRAÇÃO DCP E CBR DISPONÍVEIS NA LITERATURA Carolina Berti (1) Mestre em Engenharia Civil UNICAMP caberti@bol.com.br Cassio E. L. de Paiva (2) Prof. Doutor em Engenharia Civil UNICAMP celpaiva@fec. unicamp.br

2 SUMÁRIO A avaliação da capacidade de suporte de materiais constituintes da estrutura de pavimentos pode ser realizada através dos ensaios CBR (California Bearing Ratio) e DCP (Dynamic Cone Penetrometer). A propriedade do solo relacionada à resistência geralmente é avaliada pelo ensaio CBR, em que amostras de solo são moldadas em laboratório numa tentativa de estimar as propriedades in situ. Já o equipamento DCP apresenta grande mobilidade e facilidade de operação, além do baixo custo de aquisição, permitindo ainda, através de seu uso, verificar o perfil de resistência do solo em profundidade, tanto em seu estado natural ou compactado, in situ ou em laboratório. No entanto, os valores resultantes destes ensaios são relacionáveis entre si, nas quais vêm sendo estabelecidas diversas correlações, obtidas por várias entidades em pesquisas do Brasil e de outros países. Tais correlações são analisadas pela regressão dos resultados e muitas são demonstradas graficamente e sob a forma de equação através de modelos bi-logarítmicos e exponenciais. Essas correlações variam de acordo com o material ensaiado, as condições do ensaio e o tipo de equipamento DCP. Portanto, este trabalho estabelece uma pesquisa com o intuito de identificar os modelos de equação de regressão definidos e disponíveis na literatura, apresentando uma análise das equações propostas e mostrando a necessidade do estabelecimento de correlações apropriadas para a estimativa dos índices de capacidade de suporte utilizados em dimensionamento de pavimentos e também dos valores de resistência nos locais de realização dos ensaios. Palavras-chave: DCP, CBR, Correlação, Regressão, Resistência. Tema Integração das Novas Tecnologias. Objetivos Divulgar e analisar as correlações já definidas e disponíveis na literatura técnica, tanto nacional como internacionalmente. Além disso, incentivar o estabelecimento de correlações CBR versus DCP para cada tipo de material comumente utilizado no meio viário.

3 1. INTRODUÇÃO A avaliação da capacidade de suporte de materiais constituintes da estrutura de pavimentos pode ser realizada através dos ensaios CBR e DCP. Em projetos de pavimentos normalmente são utilizados valores de capacidade de suporte resultantes do ensaio CBR, porém estas determinações podem ser adquiridas através do ensaio utilizando o DCP, desde que haja um modelo de calibração entre os índices DCP e CBR para o material em que se deseja estimar a sua resistência. Além disso, o ensaio DCP pode ser útil quando se deseja conhecer a capacidade de suporte in situ, assim como a profundidade das camadas da estrutura do pavimento. Com base nos índices CBR e DCP é possível estabelecer correlações, conduzindo ao desenvolvimento de modelos de regressão, correlacionando a capacidade de suporte obtida através de ensaios com o auxílio do DCP e do CBR. Assim, os ensaios CBR e DCP fornecem valores, que quando calibrados, servem de apoio para projeto, avaliação, construção e manutenção de pavimentos. A seguir serão abordados estes ensaios e seus índices resultantes, assim como as correlações entre os valores de capacidade de suporte já estabelecidas. 2. ENSAIOS CBR E DCP A capacidade de suporte do solo pode ser determinada através da realização de diversos ensaios e estes podem ser realizados tanto no campo quanto no laboratório. No campo ou in situ os ensaios são realizados sobre o material indeformado (estrutura preservada). Já em laboratório, os ensaios podem ser efetuados tanto em amostras indeformadas quanto em amostras deformadas (estrutura destruída). No presente trabalho os ensaios abordados que determinam a capacidade de suporte são: CBR e DCP, onde ambas realizações podem ser tanto in situ quanto laboratoriais. O ensaio CBR, cujo equipamento consiste principalmente de uma prensa provida de um pistão, fornece a capacidade de suporte do material em termos de porcentagem (%), ou seja, o índice CBR refere-se à relação entre o valor da resistência à penetração do material medido no ensaio e o valor de resistência padronizado. O ensaio DCP, cujo equipamento é basicamente constituído de uma haste provida na sua extremidade inferior de um cone (60º ou 30º), baseia-se na cravação desta haste através da queda de um martelo no interior do material. O índice DCP provém, portanto, da razão entre a profundidade alcançada pela haste e o respectivo número de golpes (mm/golpe), e este valor representa a resistência do material.

4 Com relação aos dois ensaios, o DCP mostra-se um equipamento extremamente versátil e de mínima ação destrutiva, e sua utilização supera algumas características em relação a outros ensaios in situ que determinam a capacidade portante de subleito, sub-base e base de solo compactado ou em estado natural, dentre eles o CBR in situ, cujo procedimento é moroso e o equipamento relativamente de alto valor de aquisição. Complementando-se, o CBR executado nas condições artificiais de laboratório não refletem inteiramente as condições prevalecentes do pavimento in situ. Esta limitação pode ser facilmente superada com o uso do DCP em ensaios de capacidade de suporte do solo, desde que conhecida a calibração do mesmo, representada através de modelos de correlação. 3. CORRELAÇÕES ESTABELECIDAS ENTRE ÍNDICES CBR E DCP 3.1 Histórico A correlação de resultados de ensaios é desejável para se estimarem os valores entre ensaios de vários materiais. Essas correlações são aproximações e assim devem ser usadas. Valores provenientes de ensaios são uma função do método da realização do ensaio, do teor de umidade e a massa específica aparente seca. Ao fixar valores de resistência de um solo, sem considerar esses fatores, é comum gerar suposições errôneas [1]. Quanto a isso, existem diversas pesquisas sendo desenvolvidas no Brasil e em vários países do mundo, correlacionando o valor de resistência à penetração DCP (mm/golpe) razão entre profundidade de penetração e número de golpes e a medida CBR (%) porcentagem em relação a um material com alta qualidade de resistência. Portanto, através destas correlações é possível estimar valores que indicam a capacidade de suporte do material. Porém, as correlações variam de acordo com o tipo de material, com as condições de ensaio (em que se prioriza que os dois lados sejam ensaiados com o material no mesmo teor de umidade e massa específica aparente seca, além da mesma energia de compactação), assim como o ângulo da ponta cônica do equipamento DCP (que em algumas correlações são de 30º e outras de 60º), e também os locais de realização do ensaio (de laboratório, de campo ou mistos). De acordo com Schmitz [2], para que se possa utilizar o DCP de forma eficaz no Brasil, é necessário que se estabeleçam correlações apropriadas para os solos brasileiros, os quais possuem características bastante peculiares. Karunaprema e Edirisinghe [3] sugerem que as correlações entre CBR e DCP deveriam ser realizadas em vários tipos de solo, com vários níveis de resistência. Vertamatti e Oliveira [4], por sua vez, levantam a hipótese de que, ao se considerar que algumas das correlações entre CBR e DCP apresentadas na literatura foram obtidas a partir de ensaios in situ, utilizando-se cone de 30º, tratando-se materiais essencialmente granulares ou simplesmente não citando o tipo de amostra empregada, torna-se válido e necessário o

5 estabelecimento de novas correlações para o material em questão, como forma de dirimir dúvidas. Relações entre DCP e CBR têm sido obtidas de diversas autoridades em pesquisas. Os contratos geralmente se encaixam em muitas das séries existentes, porém diferenças são aparentadas em materiais de granulometria fina com baixos valores de CBR. Então, é esperado que para tais materiais, a relação entre DCP e CBR dependerá do estado do material e, portanto, se mais valores precisos forem necessitados, é aconselhável calibrar o DCP para o material que está sendo avaliado; sendo assim, deve-se consultar as referências somente para um acompanhamento [5]. Tais correlações podem ser demonstradas através de análises de regressão dos resultados. De acordo com Karunaprema e Edirisinghe [3], estas análises de regressão mostram que existe uma relação inversa entre o DCP e o CBR para o ensaio de solos. Os dados podem ser analisados através de modelos Lineares, Logarítmicos, Exponenciais ou Bi-Logarítmicos (Log x Log). Destes quatro modelos, as versões que melhor descrevem esta relação são Log x Log e Exponencial. Baseadas em resultados de estudos passados, muitas dessas relações entre DCP e CBR têm as seguintes formas: sendo que: log (CBR) = a + b.log (DCP), (1) CBR = a.dcp b (2) CBR = é dado em porcentagem; DCP = é dado em mm/golpe; e a e b = são constantes obtidas através da análise de regressão. 3.2 Apresentação e Análise das Correlações entre Índices CBR e DCP A tabela 1 apresenta algumas das correlações CBR x DCP estabelecidas no Brasil e no Mundo, demonstradas através de equações de regressão e também sob quais condições de ensaio e tipo de material que foram desenvolvidas.

6 Tabela 1: Relação das Correlações CBR x DCP Existentes Correlações CBR x DCP Estabelecidas Equações de Regressão CBR = 443,45.DCP -1,3 [6] log (CBR) = 2,490-1,057.log (DCP) [4] CBR = 512,64.DCP -1,25 [7] CBR = 151,58.DCP -1,03 [7] log (CBR) = 2,809-1,288.log (DCP) [8] log (CBR) = 2,55-1,26.log (DCP) [9] log (CBR) = 2,01-1,01.log (DCP) [9] log (CBR) = 2,60-1,26.log (DCP) [10] log (CBR) = 2,81-1,32.log (DCP) [11] log (CBR) = 2,480-1,057.log (DCP) [12] log (CBR) = 1,966-0,667.log (DCP) [3] log (CBR) = 2,56-1,16.log (DCP) [13] CBR = 567.DCP -1,4 [14] Locais ou Materiais Rodovias no Paraná Solos Transicionais Solos: A-7-6, A-4 e A-2-4 Solos: A-7-6, A-4 e A-2-4 Solos Transicionais e Lateríticos Solos Lateríticos (LA'-LG') Solos Lateríticos (LA'-LG') Rodovias no Sul da África Solos Argilosos, Areia bemgraduada e Cascalho bemgraduado Não classificado Cascalho, Areia e Solo fino Materiais coesivos e granulares Solos Tropicais Condições do Ensaio Não detalhada prova sob vários teores de umidade prova saturados e nãosaturados prova para DCP nãosaturados e para CBR saturados prova sob vários teores de umidade "In situ" e Laboratório - corpos de prova nãosaturados moldados de acordo com campo prova saturados moldados de acordo com campo Não detalhada prova Não detalhada prova não-saturados Não detalhada Não detalhada

7 Como pode ser observada na tabela 1 cada equação está relacionada a uma metodologia própria de ensaio e a um tipo de material; sendo que alguns ensaios foram realizados sobre corpos de prova, outros em amostras indeformadas ou também diretamente in situ. Ainda assim, os teores de umidade e a condição de imersão ou não do corpo de prova também variaram e, adicionando, em muitas correlações falta uma abordagem melhor sobre a classificação geotécnica do material em apreço e as características precisas dos equipamentos, que podem ter abertura de cone de 60º ou 30º. Na tabela 2 são apresentadas as equações de regressão, demonstrando haver diferença de inclinação, e estes valores podem ser melhor visualizados pela representação das retas nos gráficos das figuras 1 e 2. Tabela 2: Inclinação das retas representativas das equações de regressão. Correlações CBR x DCP Existentes Referência Equação de Regressão Inclinação m Grau Heyn [6] CBR = 443,45.DCP -1,3-1,30 52º Vertamatti e Oliveira [4] log (CBR) = 2,490-1,057.log (DCP) -1,06 47º Cardoso e Trichês [7] CBR = 512,64.DCP -1,25-1,25 51º Cardoso e Trichês [7] CBR = 151,58.DCP -1,03-1,03 46º Lima [8] log (CBR) = 2,809-1,288.log (DCP) -1,29 52º Berti [9] log (CBR) = 2,55-1,26.log (DCP) -1,26 52º Berti [9] log (CBR) = 2,01-1,01.log (DCP) -1,01 45º Kleyn [10] log (CBR) = 2,60-1,26.log (DCP) -1,26 52º Harison [11] log (CBR) = 2,81-1,32.log (DCP) -1,32 53º TRRL [12] log (CBR) = 2,480-1,057.log (DCP) -1,06 47º Karunaprema e Edirisinghe [3] log (CBR) = 1,966-0,667.log (DCP) -0,67 34º Livneh apud Amini [13] log (CBR) = 2,56-1,16.log (DCP) -1,16 49º Torres [14] CBR = 567.DCP -1,4-1,40 54º As equações podem ser representadas na forma de curva ou reta. As retas relacionadas às correlações apresentadas na tabela 1 são demonstradas graficamente pelas figuras 1 e 2, e estão

8 separadas de acordo com o tipo de proximidade em relação à inclinação que oferecem (tabela 2). Log (CBR) 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 Log (DCP) Lima Berti - sem imersão Cardoso e Trichês Heyn Kleyn Harison Karunaprema e Edirisinghe Torres Livneh Figura 1: Gráfico das Equações de Regressão: Correlações CBR x DCP (bi-log). 2,00 Log (CBR) 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 Log (DCP) Vertamatti e Oliveira Cardoso e Trichês TRRL Berti - com imersão Figura 2: Gráfico das Equações de Regressão: Correlações CBR x DCP (bi-log).

9 Através dos gráficos fica constatado o comportamento das curvas. No gráfico da figura 1 estão representadas, na maioria, as equações relativas aos ensaios realizados em corpos de prova não-saturados, na umidade de moldagem ou no teor de umidade de campo; já no gráfico da figura 2 as curvas representam, em parte, equações referentes aos ensaios em corpos de prova saturados. Ainda sobre as características das retas com relação ao teor de umidade do material no momento do ensaio é possível observar que na região de teor de umidade ótima e no ramo úmido, a saturação não tende a mudar muito os valores de CBR quando imersos. Em contrapartida, no ramo seco, os valores de CBR quando imersos (saturados) tendem a abaixar, fazendo com que o modelo da curva fique menos inclinado. Esta afirmação referente à inclinação, porém, não é válida para a reta da equação defendida por Karunaprema e Edirisinghe [3], que apresenta uma inclinação menor que as demais e está relacionada com índices resultantes de ensaios realizados em corpos de prova não-saturados, levando assim, a considerar que este comportamento deve-se ao tipo de material utilizado, composto por cascalho e areia. Assim, com relação ao tipo de material, fica evidenciado que os ensaios realizados sobre materiais de granulometria maior (tabela 1) resultaram índices CBR e DCP que derivaram uma equação de regressão cuja curva apresenta um comportamento que difere das demais (figura 1). As demais curvas cujas inclinações variaram entre 49º e 54º, apresentadas na figura 1, e entre 45º e 47º na figura 2, possuem uma tendência de inclinação parecida, demonstrando um certo paralelismo entre as mesmas. Porém, mesmo com este comportamento próximo entre as curvas, o uso de equações de regressão não específica para o material estudado pode desencadear valores errôneos. Conforme Berti [9], ao se tentar utilizar as equações definidas por Vertamatti e Oliveira [4], Cardoso e Trichês [7], Lima [8] e pelo TRRL [12] com os índices CBR e DCP resultantes dos ensaios realizados em pesquisa própria, obteve-se erros relativos entre 23% e 141%. Por tais motivos, para cada material é necessário que haja uma equação de regressão, correlacionando de forma adequada os índices CBR e DCP e calibrando o equipamento utilizado, obtendo-se assim, cada vez mais modelos de regressão, aumentando o banco de dados relacionado a este assunto disponível na literatura técnica. 3.3 Considerações sobre as Correlações obtidas entre índices CBR e DCP Como pôde ser observado no ítem anterior, muitas organizações possuem algum tipo de equipamento DCP e têm estabelecido uma correlação de calibração própria entre valores DCP e CBR. Estas correlações têm se mostrado válidas e com boa consistência nos materiais designados pelos pesquisadores, através de equações que melhor explicam os índices encontrados dos ensaios.

10 Portanto, todas as equações têm a sua importância e devem ser tratadas com atenção, pois cada uma foi desenvolvida para um tipo de material e sob determinadas condições de ensaio. Assim, os índices CBR e DCP são relacionáveis entre si, e, para a estimativa de um destes valores através da equação de regressão é necessário que haja uma calibração para cada tipo de material, pois se constata ser plausível o erro relativo ao se cometer previsões de índices de capacidade de suporte a partir de equações não adequadas aos materiais em questão. Por isso, sugere-se que para maiores esclarecimentos em relação às correlações estabelecidas é aconselhável recorrer aos trabalhos originais, a fim de verificar suas aplicações e limitações, campo de atuação, condições de ensaio, peculiariedades quanto ao equipamento DCP e também os intervalos de valores de capacidade de suporte determinados. 4. CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS O DCP revela ser um equipamento versátil cujo emprego pode ser realizado tanto in situ quanto em laboratório. Através de seu ensaio é possível avaliar das camadas da estrutura do pavimento, assim como do subleito, tanto relacionada ao conhecimento da capacidade de suporte como na verificação da compactação. Existem diversos modelos de equação que correlacionam os índices CBR e DCP e todos se mostram válidos desde que utilizados adequadamente. Cada equação é designada para um tipo de material e para uma condição de ensaio e sua utilização pode estimar um dos índices, desde que se conheça a relação CBR x DCP do material, servindo, assim, de apoio no dimensionamento de pavimentos, no simples conhecimento da resistência do solo ou material em questão, além do controle de execução das camadas executadas deste mesmo material. Com isso, é desejável um número cada vez maior de equações definidas, a fim de atenderem grande parte dos materiais utilizados no meio viário. No mais, fica evidenciado o relacionamento entre o DCP e o CBR, validando as correlações estabelecidas e incentivando a proposta de modelos próprios, aumentando, assim, a confiabilidade dos resultados dos ensaios DCP para avaliação da capacidade de suporte dos materiais usuais da estrutura de um pavimento. 5. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA [1] YODER, E.J. Principles of Pavement Design. Second Edition [2] SCHIMTZ, C.S. Análise do Comportamento Estrutural de Sistemas de Drenagem Viária Constituídos por Tubos Plásticos Flexíveis envolvidos com Areia. Dissertação de Mestrado. Universidade de São Paulo. EPUSP, 2002.

11 [3] KARUNAPREMA, K.A.K.; EDIRISINGHE, A.G.H.J. A Laboratory Study to Establish Some Useful Relationships for the Use of Dynamic Cone Penetrometer. In: University Peradenyia, Sri Lanka. EJGE, Disponível em: < Acesso em: 5 out [4] VERTAMATTI, E.; OLIVEIRA, L.E.de. Análise de Pavimento de Baixo Volume de Tráfego Executado com Solos Transicionais. In: SIMPÓSIO INTERNACIONAL DE PAVIMENTAÇÃO DE RODOVIAS DE BAIXO VOLUME DE TRÁFEGO, 1., 1997, Rio de Janeiro. Anais... p [5] TRANSPORT AND ROAD RESEARCH LABORATORY. A guide to the Pavement Evaluation and Maintenance of Bitumen Surfaced Roads in Tropical and Sub-Tropical Countries. Overseas Road Note 18. Crowthorne [6] HEYN, A.T. Aplicações do Penetrômetro Dinâmico de Ponta Cônica na Avaliação de Estruturas de Pavimento. In: REUNIÃO ANUAL DE PAVIMENTAÇÃO, 21.,1986, Salvador. Anais... Rio de Janeiro: ABPv, p [7] CARDOSO, A.B.; TRICHÊS, G. Utilização do Penetrômetro Dinâmico de Cone no Controle Tecnológico de Camadas Finais de Aterros Rodoviários e na Avaliação da sua Capacidade de Suporte. In: REUNIÃO ANUAL DE PAVIMENTAÇÃO, 31.,1998, São Paulo. Anais... Rio de Janeiro: ABPv, p [8] LIMA, L.C. O Ensaio DCP aplicado no Controle de Qualidade de Compactação de Obras Viárias executadas com Solos Lateríticos de Textura Fina. Dissertação de Mestrado. Instituto Tecnológico de Aeronáutica. ITA, [9] BERTI, C. Avaliação da Capacidade de Suporte de Solos in situ em Obras Viárias através do Cone de Penetração Dinâmica - Estudo Experimental. Dissertação de Mestrado. Universidade Estadual de Campinas. UNICAMP, [10] KLEYN, E.G.; SAVAGE, P.E. The Application of the Pavement DCP to Determine the Bearing Properties and Performance of Road Pavaments. In: International Symposium on Bearing Capacity of Roads and Airfields, Trondheim, Norway, [11] HARISON, J.A. Correlation Between California Bearing Ratio and Dynamic Cone Penetrometer Strength Measurement of Soil. In: Proc. Instn. Civ. Engs, Londom [12] TRANSPORT AND ROAD RESEARCH LABORATORY. Operating Instructions for the TRRL Dynamic Cone Penetrometer. Overseas Unit. Crowthorne p. [13] LIVNEH, M. Validation of Correlations between a Number of Penetration Tests and In Situ California Bearing Ratio Tests. Transp. Res. Rec Transportation Research Board, Washington, D.C., pp

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