Valores Típicos para Módulos de Resiliência de Solos Lateríticos Argilosos da Zona da Mata de Minas Gerais

Transcrição

1 Valores Típicos para Módulos de Resiliência de Solos Lateríticos Argilosos da Zona da Mata de Minas Gerais Marangon, M. Departamento de Transportes, Universidade Federal de Juiz de Fora, Minas Gerais, Brasil Motta, L. M. G. PEC-COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil RESUMO: O trabalho apresenta os valores obtidos para o módulo de resiliência para um conjunto de 16 amostras coletadas na macroregião da Zona da Mata do Estado de Minas Gerais, caracterizadas como solos lateríticos, com horizonte diagnóstico do tipo Latossolo ou Podzólico. São solos argilosos típicos, freqüentemente encontrados no Brasil e particularmente nesta região. São apresentados os valores para os parâmetros dos modelos σ 3, σ d e conforme proposto por Macedo (1996), com seus respectivos R 2. Os procedimentos utilizados na pesquisa, de se coletar amostras nas mais variadas jazidas, em diferentes localidades da região, respeitada a identificação da sua classe pedológica, não implicou em grandes diferenças nos resultados obtidos para o seu módulo de resiliência. Os valores obtidos podem ser oportunos para estudos preliminares ou de ante-projeto, face à verificação da semelhança dos seus resultados independente do local de coleta, e sim da sua gênese e granulometria. PALAVRAS-CHAVE: Solos Lateríticos, Módulo de Resiliência, Pavimentos. 1 INTRODUÇÃO Em se tratando do estudo de materiais para projeto de pavimento faz-se necessária a determinação do comportamento mecânico quanto às solicitações repetidas de carga. Como se comportam os materiais a serem utilizados na composição do sistema de camadas, perante a ação dinâmica dos esforços provenientes da ação das tensões desenvolvidas pelas rodas dos veículos? A resposta a este questionamento pode, de forma relativamente satisfatória, ser obtida com a realização de ensaios triaxiais dinâmicos em laboratório. O parâmetro que melhor representa o comportamento mecânico de materiais quanto às solicitações repetidas de carga, visando o projeto de pavimento é o módulo de resiliência, que é freqüentemente obtido em laboratório, e que vem sendo cada vez mais utilizado no dimensionamento mecanístico de estruturas de pavimentos. Assim, são apresentados neste trabalho os resultados obtidos para o Módulo de Resiliência (M R ) de diversos ensaios triaxiais dinâmicos de amostras de solos argilosos lateríticos compactado, típicos de subleitos ou de empréstimos utilizados em obras de aterros. 2 COMPORTAMENTO RESILIENTE DOS SOLOS TROPICAIS A Mecânica dos Pavimentos oferece aos profissionais de Engenharia o instrumental analítico para o dimensionamento de pavimento que contempla aspectos importantes do desempenho deste pavimento. Os pavimentos podem apresentar dois tipos principais de problemas durante sua vida útil: ruptura estrutural pelo sistema de camadas não suportar o nível de carregamento imposto e perda de serventia, decorrentes da natureza repetitiva da aplicação das cargas e da atuação das intempéries. A perda de serventia em um pavimento poderá ser atenuada quando se considera no dimensionamento o comportamento tensãodeformação dos materiais que compõem a sua estrutura, segundo as condições de carregamento dinâmico ação de cargas repetidas, que geram as deformações recuperáveis, também chamadas deformações resilientes. O comportamento tensão-deformação dos materiais sob carga repetida é apresentado através do Módulo de Resiliência (M R ) e do Coeficiente de Poisson (ν). A deformação resiliente é compreendida na Mecânica dos Pavimentos como sendo a

2 deformação elástica ou recuperável dos solos e das estruturas dos pavimentos sob a ação de cargas repetidas. Reflexo de tais deformações repetidas podem ser vistas nos revestimentos asfálticos que apresentam trincamento progressivo e às vezes prematuro. O módulo de resiliência M R é definido (equação 1) como a relação entre a tensão desvio σ d (diferença entre a tensão σ 1 e σ 3 ), aplicada no ensaio triaxial dinâmico, pela deformação resiliente ou recuperável, axial vertical, ε r. ( σ σ ) 1 3 M R = (1) ε r A obtenção deste parâmetro se faz a partir da realização de ensaios triaxiais de carga repetida que procuram reproduzir em laboratório as condições de carregamento das cargas de tráfego na estrutura do pavimento. Tal relação para a maioria dos materiais de pavimentação é do tipo não linear, diferente de outros sólidos elásticos, havendo grande dependência das tensões aplicadas. São utilizados modelos matemáticos para se expressar os valores de M R em função das tensões aplicadas nos materiais, particularmente em relação à tensão desvio (σ d ) e a tensão de confinamento (σ 3 ) (Medina e Motta 2005). Os resultados dos ensaios triaxiais dinâmicos em geral indicam que o módulo de resiliência dos solos arenoso depende principalmente da tensão de confinamento (σ 3 ) e no caso do solo argiloso depende da tensão desvio (σ d ). Para os solos argilosos, de interesse deste trabalho, o modelo conhecido como bi-linear (modelo argiloso) indica que abaixo de um determinado nível de tensão de desvio (k1) os valores de M R aumentam a uma razão bem superior do que verificado para σ d acima que k1. Este modelo foi por muito tempo bastante utilizado, fazendo parte da Norma ME 131 (DNER, 1994). A partir das dificuldades experimentais de se determinar o ponto em que as retas se interceptam e conseqüentemente as constantes do modelo bilinear, Svenson (1980) propôs utilizar para os solos argilosos o modelo log-log semelhante ao que já se empregava para solos arenosos, simplesmente mudando σ 3 por σ d, o que tem sido utilizado até os dias de hoje. Um modelo proposto por Macedo (1996), denominado de composto (equação 2), é capaz de eliminar a dificuldade de definição prévia do comportamento resiliente dos solos em função de sua granulometria já que leva em consideração a influência ao mesmo tempo das tensões confinantes e de desvio, para todos os tipos de material. M R = k1 σ3 k2 σ d k3 (2) A consideração conjunta de σ 3 e σ d é importante na determinação do M R, e os coeficientes de correlação R 2 obtidos para este modelo atingem valores acima de 0,90, bastante superiores àqueles auferidos para os demais modelos considerados (Ferreira, 2002). A partir da análise de um banco de dados de mais de 500 ensaios, conclui Ferreira que é incontestável a supremacia do modelo composto sobre os demais. Este modelo, além da óbvia vantagem de poder ser utilizado para qualquer tipo de material não tratado quimicamente, demonstrou ser capaz de determinar o valor do módulo de resiliência com precisão muito superior aos outros, tornando-os totalmente obsoletos. 3 PROGRAMA EXPERIMENTAL 3.1 Materiais Utilizados Foram coletadas amostras de solos em 16 perfis com horizonte residual maduro, que apresentavam características de formação laterítica, todos na macroregião da Zona da Mata do Estado de Minas Gerais. Parte dos trechos rodoviários percorridos por Marangon (2004), para a coleta de amostras em sua pesquisa, estão ilustrados na Figura 1, assim como os locais utilizados para as coletas das amostras analisadas neste trabalho. As amostras foram coletadas aproveitando os cortes rodoviários, tendo sido limpo, com enxada, uma faixa de cerca de 1,0 metro de largura do extremo superior do horizonte A à cota mais inferior do talude exposto. Após a descrição das espessuras dos horizontes identificados e das características visuais e de tato, foi marcada uma faixa de

3 cerca de 50 cm de altura para a escavação e coleta do solo em saco plástico para encaminhamento aos laboratórios para análise. Figura 1. Macroregião da Zona da Mata com a localização dos pontos de coleta das amostras. São apresentados na Tabela 1 os percentuais das frações granulométricas, obtidos segundo a ABNT, e os valores dos limites de Atterberg para as amostras estudadas. São também apresentados na Tabela 2 os parâmetros químicos obtidos para estes solos estudados. 3.2 Ensaios Triaxiais Dinâmicos Para a realização destes ensaios, as amostras foram preparadas e passadas na peneira n 0 4 (4,8mm). Separados 4 Kg de solo para moldagem de cada CP, as amostras foram homogeneizadas no teor de umidade correspondente à umidade ótima e deixados em câmara úmida por cerca de 24 horas. Os CPs foram moldados em cilindros de 10 x 20 cm, em 10 camadas, com número de golpes correspondente à energia pretendida (aproximadamente à do Proctor Normal), utilizando-se um compactador mecânico. Tabela 1. Caracterização Geotécnica dos solos. Amostra Ped. Areia Silte Arg. LL LP (%) (%) (%) (%) (%) (%) ZM01 0,2 29,0 4,3 66,5 62,0 29,5 ZM02 0,4 27,1 3,5 69,0 76,0 33,0 ZM03 0,0 33,5 1,5 65,0 74,3 31,3 ZM04 0,0 26,0 7,0 67,0 79,0 30,4 ZM05 0,3 29,7 5,0 65,0 73,5 36,5 ZM06 0,0 27,0 9,5 63,5 62,1 33,1 ZM07 0,3 33,7 4,0 62,0 68,5 32,9 ZM08 0,0 30,5 3,0 66,5 66,0 28,9 ZM09 0,5 26,5 5,0 68,0 74,2 31,9 ZM10 1,6 31,9 5,5 61,0 73,8 27,5 ZM11 1,3 32,7 3,5 62,5 90,0 32,7 ZM12 0,6 37,4 5,0 57,0 69,8 25,4 ZM13 0,7 28,3 6,8 64,2 81,0 32,9 ZM14 1,0 18,0 5,5 75,5 69,0 33,5 ZM15 0,3 28,7 4,0 67,0 80,0 46,6 ZM16 0,3 18,9 2,8 78,0 66,5 28,5 Tabela 2. Parâmetros químicos dos solos PH Am. Ki Kr (H 2 O ) SiO 2 (%) Al 2 O 3 (%) Fe 2 O 3 (%) ZM01 1,55 1,23 4,67 22,8 25,00 10,30 ZM02 1,45 1,15 5,08 20,6 24,10 10,10 ZM03 1,10 0,91 5,07 16,9 26,00 8,70 ZM04 1,44 1,09 4,75 22,2 26,20 12,90 ZM05 1,57 1,14 5,11 21,2 23,00 13,60 ZM06 1,86 1,40 4,31 24,8 22,70 11,50 ZM07 1,35 1,06 5,33 20,8 26,20 11,30 ZM08 1,28 1,03 4,39 19,1 25,40 9,70 ZM09 1,32 1,00 4,53 20,1 25,80 13,20 ZM10 1,39 1,10 4,31 19,1 23,30 9,60 ZM11 1,48 1,17 4,46 20,3 23,30 9,80 ZM12 0,90 0,70 4,85 12,4 23,40 10,70 ZM13 1,30 0,90 4,05 17,6 23,00 16,00 ZM14 1,04 0,79 5,00 18,8 30,80 15,50 ZM15 1,71 1,30 5,20 21,3 21,20 10,30 ZM16 0,85 0,65 4,42 15,0 30,10 14,40 As amostras referidas com R correspondem à moldagem de um segundo CP, por não ter o primeiro atendido às condições de desvio de umidade adotada em no máximo 1% entre o teor ótimo e o teor de moldagem e de ensaio (ocorreram nos primeiros CPs moldados, em número de 4). Foi também repetido o ensaio para a amostra ZM05 (dúvida no ensaio) e amostra ZM08 (confirmação de resultado). Moldados os CPs, estes foram submetidos ao ensaio triaxial no setor de Ensaios Dinâmicos do Laboratório de Geotecnia da COPPE/UFRJ,

4 Prof. Jacques de Medina. O ensaio consistiu basicamente em aplicar, na câmara triaxial, três diferentes pares de tensões de confinamento e tensão desvio, com ação repetida a cada 1 segundo, totalizando 500 golpes por par de tensão, no sentido de eliminar ao máximo as deformações plásticas que ocorrem nos CPs. Posteriormente a esta fase de consolidação da amostra foram aplicados pares crescentes de tensões de confinamento e desvio, adotadas pela COPPE/UFRJ, na realização deste ensaio. Para cada par de tensão eram determinados as deformações elásticas específicas e com a tensão desvio correspondente, obtido o módulo da elasticidade (de resiliência). São realizadas 5 determinações para obtenção de valor médio sendo que no caso de uma das determinações se afastar em mais de 5% do valor médio são obtidos mais 5 valores de deformação específica para a determinação do valor de M R correspondente a este par de tensões. O equipamento utilizado dispõe de um sistema de monitoramento e aquisição de dados, desenvolvido nesta instituição, todo automatizado não havendo necessidade de qualquer intervenção do operador após o acionamento do inicio do ensaio (Vianna, 2002). Obtidos os vários valores de M R para as diferentes condições de tensões foram plotadas envoltórias para a definição de M R segundo os modelos. σ d e σ 3, visto em Marangon (2004). As figuras 2 a 4 registram alguns momentos do ensaio de módulo de resiliência, Figura 2. Aspecto de um corpo de prova de solo compactado, na bancada, antes de ser submetido ao ensaio triaxial. Figura 3. Registro do ensaio triaxial no setor de Ensaios Dinâmicos do Laboratório de Geotecnia da COPPE/UFRJ, Prof. Jacques de Medina. 4 RESULTADOS OBTIDOS O trabalho apresenta os valores obtidos para o módulo de resiliência para o conjunto de 16 amostras coletadas na macroregião da Zona da Mata do Estado de Minas Gerais, caracterizadas como solos bem desenvolvidos pedogenéticamente, referidos genericamente na Engenharia como Lateríticos, com horizonte diagnóstico do tipo Latossolo ou Podzólico. Figura 4. Registro de parte dos corpos de prova, moldados em cilindros de 10 x 20 cm, utilizados para a pesquisa.

5 Quanto à modelagem de M R, foram obtidos neste trabalho os parâmetros k para os modelos σ d, σ 3 e para o modelo composto. Os parâmetros para os modelos são apresentados nas tabelas 3 e 4. Tabela 3. Valores dos parâmetros para os modelos σ d, σ 3, com os respectivos valores de R 2. Modelo M R = k 1 σ d k2 M R = k 1 σ 3 k2 CP k 1 k 2 R 2 k 1 k 2 R 2 ZM01 93,6-0,42 0,94 79,4-0,390 0,54 ZM01R 87,9-0,44 0,97 71,7-0,422 0,56 ZM02 57,4-0,74 0,99 36,9-0,738 0,66 ZM03 70,3-0,46 0,95 56,7-0,437 0,57 ZM04 60,9-0,61 0,97 45,8-0,583 0,58 ZM05 66,8-0,48 0,95 60,0-0,424 0,52 ZM05R 68,1-0,50 0,97 53,4-0,478 0,59 ZM06 139,4-0,37 0,92 131,5-0,312 0,44 ZM07 91,0-0,42 0,96 76,5-0,391 0,56 ZM08 64,4-0,70 0,95 50,1-0,638 0,53 ZM08R 74,1-0,61 0,92 63,2-0,535 0,47 ZM09 58,6-0,72 0,98 37,9-0,723 0,65 ZM09R 69,9-0,49 0,97 53,5-0,480 0,62 ZM10 80,3-0,47 0,97 65,4-0,446 0,57 ZM11 80,0-0,45 0,95 67,7-0,411 0,53 ZM11R 82,4-0,46 0,95 65,6-0,445 0,58 ZM12 112,4-0,55 0,97 90,2-0,510 0,56 ZM13 72,3-0,68 0,98 50,9-0,656 0,61 ZM14 85,4-0,52 0,99 61,4-0,523 0,67 ZM15 69,9-0,55 0,99 51,8-0,543 0,63 ZM16 120,7-0,46 0,98 96,4-0,440 0,60 ZM16R 118,0-0,43 0,96 97,4-0,570 0,57 5 CONCLUSÕES O presente trabalho investigou os valores típicos para o módulo de resiliência para um conjunto de 16 amostras coletadas na macroregião da Zona da Mata do Estado de Minas Gerais, caracterizadas como solos lateríticos. Foram obtidos os valores para os parâmetros dos modelos em termos de σ 3, σ d e para o modelo composto proposto por Macedo (1996), com seus respectivos R 2, tendo sido obtidas as principais conclusões resumidas abaixo: As envoltórias de M R dos solos argilosos lateríticos da região da Zona da Mata se mostram com uma certa constância de comportamento, obtendo-se para k1 valores de 57 a 139 MPa e k2 de -0,37 a -0,74, com R 2 elevados para as regressões, no modelo σ d. Observa-se que 3 das 16 amostras analisadas apresentaram valores mais elevados para k2 (ZM02, ZM08 e ZM13). Tabela 4. Valores dos parâmetros para o modelo composto, com os respectivos valores de R 2. Modelo M R = k 1 σ 3 k2 σ d k3 CP k 1 k 2 k 3 R 2 ZM ,094-0,484 0,995 ZM01R 96 0,069-0,491 0,997 ZM ,001-0,736 0,998 ZM ,065-0,502 0,995 ZM ,086-0,669 0,996 ZM ,099-0,475 0,978 ZM05R 74 0,060-0,538 0,997 ZM ,170-0,485 0,998 ZM ,081-0,472 0,997 ZM ,182-0,821 0,992 ZM08R 100 0,217-0,749 0,991 ZM ,002-0,721 0,997 ZM09R 72 0,030-0,512 0,997 ZM ,086-0,531 0,997 ZM ,108-0,518 0,996 ZM11R 89 0,055-0,498 0,995 ZM ,117-0,626 0,997 ZM ,063-0,721 0,996 ZM ,019-0,502 0,999 ZM ,038-0,579 0,998 ZM ,054-0,494 0,998 ZM16R 129 0,069-0,472 0,997 O modelo composto apresentou os melhores resultados para a modelagem do módulo de resiliência seguido do modelo σ d, por se tratar de solos predominantemente argilosos. O comportamento resiliente dos solos estudados assemelha-se muito, mesmo tendo sido coletadas amostras em jazidas tão distantes, mas escolhidas a partir de uma classificação expedita de qualidade aparente para obras de subleito ou aterros, por profissional de Engenharia. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer ao Geólogo Cícero Pereira Batista Júnior pelo apoio dado no desenvolvimento deste trabalho.

6 REFERÊNCIAS DNER (1994) Métodos de Ensaios ME 131/94 - Solos: Determinação do Módulo de Resiliência. Departamento Nacional de Estradas e Rodagem. Rio de Janeiro/RJ. Ferreira, J. G, H, M. (2002) Elaboração e Análise da Base de Dados de Ensaios Triaxiais Dinâmicos da COPPE/UFRJ. Dissertação de Mestrado. PEC. COPPE/UFRJ. Rio de Janeiro/RJ. Marangon, M. (2004) Proposição de Estruturas Típicas de Pavimentos de Região de Minas Gerais Utilizando Solos Locais a partir da Pedologia, Metodologia MCT e Resiliência. Tese de Doutorado COPPE/UFRJ. Rio de Janeiro/RJ. 477 pags. Macedo, J. A. G. (1996) Interpretação de Ensaios Deflectométricos para Avaliação Estrutural de Pavimentos Flexíveis A Experiência com FWD no Brasil. Tese de Doutorado. PEC. COPPE/UFRJ. Rio de Janeiro/RJ. Medina, J. e Motta, L. M. G. (2005) Mecânica dos Pavimentos. 2 a. Edição. Editora da UFRJ. Rio de Janeiro/RJ. Svenson, M. (1980) Ensaios Triaxiais Dinâmicos de Solos Argilosos. Dissertação de Mestrado. Programa de Engenharia Civil, COPPE/UFRJ. Rio de Janeiro/RJ. Vianna, A. A. D. (2002) Contribuição para o estabelecimento de um material padrão e de metodologia para a calibração de equipamentos de ensaios dinâmicos. Dissertação de Mestrado. PEC, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil.