PROPRIEDADES MECÂNICAS E CLASSIFICAÇÃO DE SOLOS/ 3. mensurar os deslocamentos recuperáveis nos pavimentos, denominados de

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1 TT 402 TRANSPORTES B PAVIMENTAÇÃO PROPRIEDADES MECÂNICAS E CLASSIFICAÇÃO DE SOLOS Eng. Mário Henrique Furtado Andrade PRPPRIEDADES MECÂNICAS E ESCOPO. Estudos de Resiliência 2. Estudos de Solos Tropicais. Classificação de Solos 2 Materiais - Propriedades Mecânicas Propriedades mecânicas dos materiais: resistência e deformabilidade. Estudos de Resiliência Os problemas estruturais dos pavimentos são geralmente resultantes da repetição de cargas pelos veículos em movimento, aplicadas frequentemente em frações de segundo, com magnitudes e freqüências variadas. As tensões solicitantes nas camadas proporcionam na maior parte das vezes pequenos deslocamentos (recuperáveis ou resilientes após a cessão das tensões), bem menores que aqueles simulados nos ensaios de penetração como o ISC A repetição de tensões pode levar um material à ruptura por fadiga, embora estas tensões sejam inferiores a sua resistência à ruptura. Desde os anos 0 pesquisadores e engenheiros rodoviários norte-americanos procuram mensurar os deslocamentos recuperáveis nos pavimentos, denominados de deflexão PROPRIEDADES MECÂNICAS E / TT 402 PAVIMENTAÇÃO Resiliência ou deformação resiliente (r) é a deformação elástica ou recuperável de solos e estrutura de pavimentos sob a ação de cargas repetitivas. M R = σ d MR = Módulo Resiliente σd = tensão de desvio aplicada repetidamente r = deformação especifica axial Obtido em ensaio triaxial dinâmico simula condições de trabalho PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 4 r = f (σd) comportamento não linear r = f (nº repetições, tipo de solo, duração e freqüência do carregamento, estado de tensões, nível de carregamento). PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 5 MÓDULO RESILIENTE = f (ESTADO DE TENSÕES) PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 6 r

2 Na década de 50 foi concebido nos Estados Unidos por Seed e Fead o primeiro equipamento triaxial de cargas repetidas para a mensuração em laboratório dos deslocamentos resilientes de materiais submetidos a tensões repetidas Ensaio Triaxial Dinâmico. Preparação de corpos-de-prova (Ø = 5 cm e h=0 cm) Instalação do C.P. na câmara triaxial Aplicação de pressão confinante (σ) Sequência de carregamentos verticais dinâmicos (σd) Medições de deformação (LVDT) PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 7 Ensaio Triaxial de Carga Repetida : Resumo do Ensaio Uma tensão axial repetida de magnitude pré-fixada é aplicada na forma senoidal por 0, segundos e removida por 0,9 segundos a um corpo de prova, resultando em ciclos de s. Durante o ensaio, o corpo de prova é submetido a pares de tensão axial cíclica dinâmica (σ ) e a tensão confinante estática (σ ). Os deslocamentos axiais resilientes (recuperáveis) do corpo-de-prova são medidos e empregados para calcular o módulo de resiliência. PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 0 Esquema do equipamento triaxial de cargas repetidas: CILINDRO DE PRESSÃO AR COMPRIMIDO CÉLULA DE CARGA φ h CÉLULA TRIAXIAL CORPO-DE-PROVA LVDT Registro dos deslocamentos φ h Medidas em cm PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 8 Ensaio Triaxial de Carga Repetida : Cálculos MR =σ d / r Sendo:σ : tensão principal maior ou axial (kn/m 2 ) σ : tensão principal menor ou de confinamento (kn/m 2 ) σ d : tensão-desvio (kn/m 2 ) r: deformação resiliente ou recuperável (r=δr / L) (mm/mm) PROPRIEDADES MECÂNICAS E / Exemplo de equipamento triaxial de cargas repetidas: Célula triaxial Corpo-de-prova PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 9 Ensaio Triaxial de Carga Repetida : Cálculos MATERIAL ELÁSTICO LINEAR LEI DE HOOKE GENERALIZADA ENSAIO CARREGAMENTO ESTÁTICO ENSAIO CARREGAMENTO REPETIDO = 2 E [ σ µσ ] r E [ µσ µσ ] = [ σ ( µ ) µσ ] = σ E r E = ( σ σ )( σ + 2σ ) ( σ + σ ) 2σ M R µ = σ σ 2 σ ( σ + σ ) µ r PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 2

3 Solos com expressiva fração de finos (material passante na peneira no. 200 ou de abertura 0,075mm): São materiais indesejados tradicionalmente no meio rodoviário norteamericano e europeu devido à plasticidade, à redução da permeabilidade dos materiais e da rigidez, e ao aumento da deformabilidade, principalmente da expansão volumétrica em presença de água, o que reduz a resistência Solos tropicais presentes em grande extensão do território brasileiro exibem comportamento geotécnico peculiar, podendo ser resistentes e de baixa deformabilidade mesmo sendo plásticos e em presença de água, como os lateríticos importantes materiais para a construção viária nacional PROPRIEDADES MECÂNICAS E / Classificação MCT Solos Tropicais (Lateríticos e Saprolíticos) - Área Tropical - ¼ superfície dos continentes - Solos lateríticos - 2% (ferrasoils) Solo Saprolítico - Solo no sentido geotécnico - Estrutura residual herdada da rocha matriz PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 6 Métodos de seleção e caracterização: solos - classificação MCT (Miniatura, compactada, tropical) Nogami e Villibor, 98 Necessidade de uso de outros métodos e sistemas de classificação e caracterização de solos tropicais que possibilitem a distinção entre solos de comportamento lateríticos (L), desejados na pavimentação, daqueles de comportamento não-laterítico (N) Exemplos de taludes de corte com ocorrências de solos tropicais : SOLO LATERÍTICO SOLO LATERÍTICO SOLO NÃO-LATERÍTICO SOLO NÃO-LATERÍTICO Foto: LENC Lab de Engenharia e Consultoria Ltda PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 4 Classificação MCT Solo Laterítico Horizonte A e B / bem drenados Argilo-minerais (Ca, Fe, Al) Estáveis de estrutura porosa Distribuição granulométrica descontínua Excelente comportamento PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 7 Métodos de seleção e caracterização: solos - classificação MCT Exemplo de talude de corte com ocorrências de solos tropicais : Foto: Job S. Nogami PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 5 Classificação tradicional. HRB / AASHO - Subestima lateríticos - Superestima saprolíticos Discrepâncias nas propriedades hidráulicas e mecânicas não considerando aspectos geológicos e pedológicos Necessidade de conhecimento dos solos tropicais como material de construção PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 8

4 Metodologia MCT Miniatura Compactada Tropical / Nogami e Villibor (USP) Parâmetros e propriedades geotécnicas próprias para clima tropical Corpos de prova de dimensões reduzidas ( = 5 cm; h = 5 cm) PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 9 Métodos de seleção e caracterização: Metodologia MCT Ensaio de perda por imersão solo compactado em imersão Amostras de solos tropicais Comportamento diferente de solos tropicais em contato com água Bom: Baixa perda de material Ruim: Perda excessiva de material Fotos: Marcia Aps PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 22 Métodos de seleção e caracterização: Metodologia MCT Compactação: equipamento Cilindro de compactação e solo compactado soquete PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 20 Métodos de seleção e caracterização: Metodologia MCT Propriedades e índices da MCT para solos tropicais passantes 90% ou mais na peneira N o 0 ou de abertura 2,0 mm: c - avaliação da compressibilidade, tendência ao aumento do índice com a coesão, com a presença de finos e - avaliação combinada de dois índices (d e Pi), sendo o primeiro (d ) referente à variação de massa específica aparente com o aumento da umidade no ramo seco da curva de compactação em geral elevado para solos lateríticos, e o segundo (Pi - perda por imersão) referente à perda de massa de material em presença de água em geral baixa perda é típica de solos lateríticos coesivos que não perdem ou perdem pouca resistência em presença de água. PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 2 Método MCV(Moisture Condition Value) família de curvas Mini MCV = 0 log N Curvas de Compactação Perda por imersão (Pi) Parâmetros classificatórios c, d, Pi e e PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 2 PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 24

5 Classificação Tradicional (HRB / AASHO ) Solos Granulares (p200 < 5%) A - Pedregulho A - Areia fina A -2 Areia siltosa / argilosa Solos Coesivos (p200 > 5%) A-4 e A-5 Solos siltosos A-6 e A-7 Solos argilosos PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 25 Classificação Resiliente Módulo de Resiliência (MR): materiais granulares O MR depende principalmente da variação da tensão de confinamento PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 28 Classificação Resiliente - Grupos Solos Granulares (p200 < 5%) A (resiliência elevada) B (resiliência média) C (resiliência baixa) MR = k. σ k2 (relação linear) PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 26 PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 27 Classificação Resiliente - Grupos Solos Coesivos (p200 > 5%) I (comportamento bom) II (comportamento regular) III (comportamento ruim) MR = f (/σd) (relação bilinear) M R = k 2 + k.(k -σ d ) M R = k 2 + k 4.(σ d k ) PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 29 PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 0

6 Módulo de Resiliência (MR): solos coesivos O MR depende principalmente da variação da tensão-desvio PROPRIEDADES MECÂNICAS E / Classificação MCT Classificação separa solos de comportamento laterítico e saprolítico = f ( c, e ) N = não lateríticos L = lateríticos A = areias A = arenosos S = siltosos G = argilosos Características dos Grupos PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 4 PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 2 PROPRIEDADES MECÂNICAS E / Métodos de seleção e caracterização: Classificação MCT 2 classes de solos tropicais: L: comportamento laterítico N: comportamento não-laterítico) A=areia A =arenoso G =argiloso S =siltoso PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 5 PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 6

7 CBR x Classificação TRB Classificação Resiliente x MCT Relação Módulo CBR x Classificação MCT CBR x % de argila PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 7 Relação Módulo - CBR Dificuldades em se associar as classificações, especialmente para solos finos (A-6 e A-7) Solos granulares Resistência a penetração elevada (atrito) CBR Deformação elástica elevada Solos coesivos Resistência a penetração baixa Deformação elástica baixa (coesão) MR Relação MR / CBR Indica mais adequadamente a natureza dos solos do que MR e CBR isoladamente PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 40 CBR x Classificação TRB PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 8 Relação Módulo - CBR PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 4 Classificação Resiliente x MCT PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 9 Relação Módulo CBR x Classificação MCT PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 42

8 CBR x % de argila PROPRIEDADES MECÂNICAS E / 4