Avaliação do comportamento de estradas não pavimentadas: influência de propriedades mecânicas e físicas de geogrelhas.

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1 Avaliação do comportamento de estradas não pavimentadas: influência de propriedades mecânicas e físicas de geogrelhas. Ivonne Alejandra M. Gutierrez Gongora Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, ivonnegutierrez@unb.br Ennio Marques Palmeira Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, palmeira@unb.br RESUMO: A maior parte da rede viária brasileira é constituída por estradas não pavimentadas. Este tipo de estradas é de grande importância econômica e social. O estudo do comportamento destas estradas, e sua correta manutenção, geralmente encontram-se relegado a um segundo plano. Diante disso, este trabalho estuda o comportamento de estradas não pavimentadas reforçadas com geogrelhas, simuladas num equipamento de grande porte construído especialmente para o estudo. Foram avaliadas geogrelhas com diferentes características, tais como abertura, rigidez à tração, módulo de estabilidade a abertura (ASM), resistência à tração, dentre outras. Nos ensaios visou-se simular uma estrutura comum de estrada não pavimentada sobre material compressível, no caso areia fofa. Como aterro utilizou-se brita. Para a execução dos testes, foi aplicado carregamento cíclico a uma frequência de 1 Hz e com uma pressão máxima sobre a superfície da estrada de 5 kpa. Durante a execução dos ensaios, foram realizadas manutenções superficiais para representar de forma mais fidedigna a situação das estradas não pavimentadas na prática. Também neste estudo foram medidos deslocamentos ao longo da superfície do aterro e as tensões no solo de subleito durante os ensaios. Os resultados obtidos mostram a influência da geometria e rigidez à tração das geogrelhas no desempenho da estrada e o significativo aumento do número de ciclos de carga suportados pela mesma quando reforçada. PALAVRAS-CHAVE:, estrada não pavimentada, módulo de estabilidade a abertura (ASM), carregamento cíclico. 1 INTRODUÇÃO No Brasil grande parte da rede viária é constituída por estradas não pavimentadas. Segundo estatísticas do International Road Federation (IRF), em 6, no Brasil tinham-se 88% de estradas não pavimentadas e 12 % de rodovias pavimentadas. Normalmente, as estradas não pavimentadas são construídas com o proposito de suportar baixos volumes de trafego. Estes tipos de estradas são de fundamental importância para a economia de um país, contribuindo para o transporte de mercadorias provenientes de locais de difícil acesso. São também responsáveis pelo escoamento da produção agrícola, dos derivados da exploração de recursos naturais, entre outros. Também servem como acesso a serviços essenciais disponíveis nos grandes centros urbanos, tais como educação, saúde, etc. Apesar da grande importância que apresentam, as estradas não pavimentadas, são um tema pouco estudado ainda no Brasil e no mundo, além de serem comumente relegadas a segundo plano pelos entes encarregados de sua gestão. Usualmente, estas estradas, não apresentam uma adequada manutenção ou não são realizadas manutenções com certa periodicidade. A tendência é crer que a única solução para o probelma destas estradas é a pavimentação asfáltica. Todos parecem ignorar que o custo de pavimentação é alto e que uma manutenção adequada é capaz de resolver grande parte dos problemas (Oda et al., 1). Uma solução para a redução de manutenções destas estradas, e para sua falta de resistência, poderia ser o emprego de geossintéticos. Estes

2 PERCENTAGEM QUE PASSA (%) materiais vêm sendo usados no Brasil há várias décadas. O uso como elemento de reforço constitui-se numa prática relevante, pois pode melhorar a capacidade de suporte do sistema em comparação com a situação sem reforço, além de diminuir a frequência com que teriam que ser realizadas as manutenções na estrada. No presente trabalho foi avaliado o uso de geossintéticos como elementos de reforço em estradas não pavimentadas, avaliando-se a influência de propriedades como rigidez, abertura e módulo de estabilidade da abertura (ASM) no comportamento mecânico da estrada. O ASM é um parâmetro considerado fundamental no método de projeto de estradas não pavimentadas reforçadas com geossintéticos desenvolvido por Giroud e Han (4). Nos ensaios realizados foi utilizado um equipamento de grandes dimensões, projetado e construído especialmente para a pesquisa, onde foram realizadas simulações do tráfego por meio da aplicação de carregamentos cíclicos. Durantes os testes, foi simulado em primeira instancia a estrada durante um primeiro estágio de carregamento, ou seja, até se atingir 75 mm de afundamento na superfície do aterro. Após disso foi efetuada uma restauração da superfície da estrada. Foram medidos deslocamentos ao longo da superfície do aterro e tensões totais no solo de subleito durante os ensaios. 2 MATERIAIS UTILIZADOS 2.1 Material de aterro Como material de aterro foi usada brita. A origem deste material é calcária, procedente da pedreira Guapó, localizada no estado de Goiás. A espessura considerada para a simulação do aterro foi de 23 cm. Na Tabela 1 são descritas as propriedades da brita. 2.2 Solo de subleito O solo de subleito usado nos ensaios foi uma areia uniforme de quartzo hialino a leitoso, com grãos de formato geral arredondado. As principais características da areia empregada são apresentadas na Tabela 2 e sua curva de distribuição granulométrica é apresentada na Figura 1. Tabela 1. Propriedades da brita usada nos ensaios. Propriedade Valor Densidade relativa (dos sólidos) 2,65 1% Massa especifica seca (g/cm3) 1,76 9% 8% 7% % 5% % 3% % 1% Absorção de água (%),5 Abrasão los Angeles (%) 36, Ângulo de atrito (⁰) 43, Coesão (kpa), Umidade ótima (%) 2, %,1 1 1 DIÂMETRO DOS GRÃOS (mm) Figura 1. Curva granulométrica da areia usada como material de subleito. Tabela 2. Propriedades da areia utilizada nos ensaios. Propriedade Valor Diametro médio das particulas D5 (mm) 1,35 Coeficiente de uniformidade (CU) 2,3 Coeficiente de curvatura (CC),83 Classificação SUCS SP Peso especifico dos sólidos (kn/m3) 26, Peso especifico mínimo (kn/m3) 15,94 Peso especifico máximo (kn/m3) 18, Indice de suporte de California (CBR) % 1, Coesão (kpa), Ângulo de atrito (⁰) 31, 2.3 Geossintéticos empregados Neste trabalho foram usados diferentes geossintéticos a fim de se avaliar a influência das características dos reforços, tais como forma e dimensões das aberturas, módulo de estabilidade da abertura (ASM) e rigidez e resistência à tração, no comportamento de uma estrada não pavimentada. Nas Tabelas 3 e 4 são apresentadas as características dos

3 geossintéticos usados com reforços nas estradas não pavimentadas simuladas neste trabalho. Tabela 3. s usadas nos ensaios - Parte 1. Propriedades 1 (G1) 2 (G2) 3 (G3) Abertura da Malha (mm x mm) 18,4 x 21, 23, x 35, 11,6 x 15, Material de fabricação Poliéster Poliéster Polipropileno Resistência a tração MD (Direção de fabricação) (kn/m) 19, 92, 18, Resistência a tração XD (Direção transversal à fabricação) (kn/m) 3, Rigidez à tração a 5 % de deformação (kn/m) Módulo de estabilidade a abertura (ASM),33,74, Tabela 4. s usadas nos ensaios - Parte 2. Propriedades 4 (G4) 5 (G5) 6 (G6) Abertura da Malha (mm x mm) 14,1 x 18,5, x, 15, x 15, Material de fabricação Poliéster Polipropileno Poliéster Resistência a tração MD (Direção de fabricação) (kn/m) 142, 38, 43, Resistência a tração XD (Direção transversal à fabricação) (kn/m) 3, Rigidez à tração a 5 % de deformação (kn/m) Módulo de estabilidade a abertura (ASM),36,17,29 Mais detalhes acerca dos geossintéticos empregados podem ser encontrados em Góngora (15). 3 EQUIPAMENTOS EMPREGADOS 3.1 Equipamento para ensaios Para a realização do programa experimental de ensaios foi necessário a construção de um equipamento de grandes dimensões para representar de maneira mais próxima o comportamento de uma estrada não pavimentada reforçada com geossintéticos. Para isso, foi utilizado um tanque cilíndrico de concreto. O referido tanque possui as seguintes dimensões: diâmetro interno de 1, m e altura de,52 m. Estas dimensões foram suficientes para representar uma camada de aterro de 3 cm de espessura, dimensão compatível com as dos aterros encontrados em campo. A camada de subleito foi de apenas cm de espessura, isso representando apenas uma porção do subleito encontrado comumente em estradas não pavimentadas. A intenção dos ensaios não foi simular uma estrada real sob todos os seus aspectos, mas se ter um subleito compressível para avaliação da influência de parâmetros relevantes dos reforços. Neste contexto, o subleito arenoso permitiu maior facilidade e rapidez na execução dos ensaios. Na Figura 2 é mostrado o equipamento usado neste trabalho. Figura 2. Equipamento para execução dos ensaios. 3.2 Instrumentação empregada nos ensaios Cada um dos ensaios foi monitorado por meio de instrumentação apropriada. Em cada ensaio foi usada uma célula de carga (para medição da carga vertical), cinco células de tensões totais no solo de subleito, bem como cinco transdutores de deslocamentos na superfície do aterro. Os sinais emitidos pela instrumentação foram obtidos por meio de um aquisitor de dados Lynx. 4 METODOLOGIA Para a execução de cada um dos ensaios foi seguido o procedimento descrito a seguir. A montagem do ensaio compreendeu a colocação do solo de subleito junto com a instrumentação, a camada de reforço, quando presente, e a disposição da camada de aterro. Antes da colocação dos solos no equipamento para ensaios era instalada uma camada de plástico lubrificada (vaselina) com o objetivo de minimizar o atrito lateral produzido pelo contato entre o solo e a superfície interna do tanque. A areia de subleito foi colocada, com espessura de,22 m, no estado fofo, para garantir que o subleito apresentasse alta

4 Deslocamento (mm) compressibilidade e uma baixa capacidade de suporte. Nesta camada foram colocadas células de tensões totais no eixo de aplicação de carga e nas laterais com o objetivo de determinar as tensões que chegam ao subleito (Figura 3). A seguir, era colocada a camada de reforço, a qual possuía um diâmetro de 1,5 m, um pouco maior que o diâmetro do equipamento de ensaio, para permitir a ancoragem das extremidades do geossintético. A ancoragem foi realizada dobrando-se a geogrelha e embutindo 1 cm dela no aterro. Finalmente era colocada a camada de aterro. Sua compactação foi feita em três camadas, as quais foram compactadas estaticamente com ajuda do equipamento de aplicação de carga sobre placa de aço com diâmetro ligeiramente menor que o diâmetro interno do tanque. A altura final da camada de aterro foi,3 m. Figura 3. Localização das células de tensão no solo de subleito durante os ensaios. 5 RESULTADOS 5.1 Primeiro estágio de carga Na Figura 4 são apresentados os deslocamentos da placa de carregamento versus o número de repetições de carga para as geogrelhas usadas no trabalho no primeiro estágio de carga. É possível observar que a estrada com melhor desempenho foi a reforçada com a G1, uma vez que suportou 3.68 ciclos de carga no primeiro estágio. Além disso, foi possível constatar que os melhores comportamentos, quanto ao número de ciclos de carga suportados, foram obtidos com as geogrelhas G1, G2 e G4. Isso pode ser, em parte, devido ao fato de serem as grelhas que apresentam maior rigidez à tração, em comparação com os outros geossintéticos empregados Sem Reforço (N=2.81) G1 (N=3.68) G2 (N=221.12) G3 (N=18.3) G4 (N=4.135) G5 (N=8.156) G6 (N=11.223) Figura 4. Deslocamentos verticais da placa de carregamento versus o número de ciclos de carga Primeiro estágio de carga. Visando avaliar a eficiência do reforço, foram calculados os fatores de eficiência (E) para cada um dos reforços empregados na pesquisa (Tabela 5). Este fator é definido como a razão entre o número de repetições (Nr) de carga necessárias para que a estrada reforçada alcance um afundamento de 75 mm e o número de repetições (Nu) de carga para que a estrada não reforçada também atinja o mesmo afundamento. Observa-se na tabela que a geogrelha que apresentou melhor comportamento em termos de suporte a repetições de carga foi a geogrelha G1, suportando 121 vezes mais ciclos de carga que a estrada sem reforço. Tem-se que os melhores comportamentos dos reforços são devidos a uma combinação de fatores, como são relação abertura da grelha e dimensões ou tamanho dos grãos de aterro. Sendo que não necessariamente uma grelha de grandes dimensões, em conjunto com um material de aterro de dimensões menores ao tamanho da grelha, apresenta o melhor comportamento. Pode-se dizer que a melhor eficiência do reforço é regida por uma série de fatores como: tamanho dos grãos do material de aterro, abertura da grelha, espessura dos membros da grelha, entre outras características. Maiores detalhes e informações podem ser encontrados em Góngora (15).

5 Tensão (kpa) Tensão (kpa) Tabela 5. Fatores de eficiência obtidos para os geossintéticos empregados. Primeiro estágio de carga. Reforço Nr Nu E G ,2 G ,68 G ,48 G ,65 G ,9 G ,99 Na Figura 5 são mostradas as tensões transferidas para o subleito a uma profundidade de,35 m a partir da superfície do aterro (5 cm abaixo da interface aterro-subleito). Percebe-se que as maiores tensões foram medidas no ensaio reforçado com a grelha G5. Deve-se lembrar que os ensaios reforçados atingiram números de repetições de carga maiores que o sem reforço. Nota-se também que para os ensaios reforçados com a geogrelhas G1 e G2 as tensões transferidas foram mais baixas, se comparadas com as do ensaio sem reforço. Tal fato é decorrente do bom desempenho do reforço, permitindo melhor distribuição de tensões para o subleito Sem Reforço (N=2.81) G1 (N=3.68) G2 (N=221.12) G3 (N=18.3) G4 (N=25.715) G5 (N=8.156) G6 (N=11.223) Figura 5. Tensões totais transferidas para o subleito para uma profundidade de,35 m versus o número de ciclos de carga Primeiro estágio de carga. Na Figura 6 exibem-se as tensões transferidas para o subleito versus o número de ciclos de carga para uma profundidade de,45 m a partir da superfície do aterro. Foi encontrado que as maiores tensões transferidas para o solo de subleito nesta profundidade foram as obtidas para as estradas reforçadas com as grelhas G5 e G Sem Reforço (N=2.81) G2 (N=221.12) G4 (N=25.715) G6 (N=11.233) G1 (N=3.68) G3 (N=18.3) G5 (N=8.156) Figura 6. Tensões totais transferidas para o subleito para uma profundidade de,45 m versus o número de ciclos de carga Primeiro estágio de carga. 5.2 Segundo estágio de carga Na Figura 7 são mostrados os deslocamentos verticais da placa de carregamento versus o número de repetições para o segundo estágio de carga. Observa-se que as geogrelhas G1 e G2 foram as que apresentaram os menores deslocamentos verticais até N = 27., quando foram finalizados os ensaios sem que se atingisse o afundamento de 75 mm. Também nota-se que neste estágio de carga a grelha que continuou mostrando o melhor comportamento foi a G1, como no 1º estágio de carga. As estradas reforçadas com as geogrelhas G5 e G6, nesta fase do carregamento suportaram maiores repetições de carga, quando comparadas com seus desempenhos no primeiro estágio de carga. Em alguns ensaios reforçados não se atingiu o afundamento da placa máximo de 75 mm no segundo estágio de carga. Tal fato compromete o cálculo de E para estes ensaios. Assim, como forma de contornar o problema, propõe-se um cálculo de fator de eficiência modificado (E*), que leva em conta o afundamento da placa e o número de repetições de carga quando da interrupção do ensaio sem reforço (Equação 1). E N N r u u r (1)

6 Tensão (kpa) Deslocamento (mm) Tensão (kpa) Na Tabela 6 são apresentados os fatores de eficiência calculados no segundo estágio Sem Reforço (N=84.42) G1 (N=27.) G2 (N=27.) G3 (N= ) G4 (N=27.) G6 (N=27.) Figura 6. Deslocamentos verticais da placa de carregamento versus o número de ciclos de carga- Segundo estágio de carga. Tabela 6. Fatores de eficiência obtidos para os geossintéticos empregados. Segundo estágio de carga. Reforço Nr Nu E E* G ** 14,23 G ** 16,2 G ,54 G ** 5,47 G ** 3,8 G ** 4,21 Com os resultados encontrados, foi possível constatar que a geogrelha que melhor desempenho seu papel de reforço no segundo estágio de carga foi a grelha G2, com resultado ligeiramente superior ao apresentado pela grelha G1. A Figura 7 mostra as tensões totais a 45 cm de profundidade no subleito durante o segundo estágio de carga, para os reforços usados. De acordo ao gráfico, tem-se que as maiores tensões foram encontradas no ensaio reforçado com a geogrelha G1. Também verificou-se que a estrada reforçada com a geogrelha G2 mostrou menores valores de tensão. Na Figura 8 são exibidas as tensões transferidas para o subleito no segundo estágio de carregamento para uma profundidade de,45 m a partir da superfície o aterro (,15 m a partir da superfície do subleito). As maiores tensões foram medidas na estrada reforçada com a geogrelha G5. Já tensões menores foram exibidas pela estrada reforçada com a grelha G2, comportamento similar ao apresentado no primeiro estágio de carga Sem Reforço (N=84.42) G1 (N=27.) G2 (N=27.) G3 (N= ) G4 (N=27.) G5 (N=27.) G6 (N=27.) Figura 7. Tensões totais transferidas para o subleito para uma profundidade de,35 m versus o número de ciclos de carga Segundo estágio de carga Sem Reforço (N=84.42) G1 (N=27.) G2 (N=27.) G3 (N= ) G4 (N=27.) G5 (N=27.) G6 (N=27.) Figura 8. Tensões totais transferidas para o subleito para uma profundidade de,45 m versus o número de ciclos de carga Segundo estágio de carga. 6 CONCLUSÕES Este trabalho apresentou os resultados de ensaios em grande escala para estradas não pavimentadas com e sem a presença de reforço. As principais conclusões obtidas são apresentadas a seguir. O uso de reforços geossintéticos nas estradas não pavimentadas simuladas contribuiu para aumentar o número de repetições de carga suportados pelas estradas, com aumento significativo na sua vida útil. De acordo com os resultados obtidos no trabalho, é possível determinar que existe uma relação clara entre a rigidez à tração e o número

7 de repetições de carga suportado pelas estradas simuladas. Tem-se que quanto maior a rigidez do reforço maior o número de ciclos suportados pela estrada. Observou-se também a importância das dimensões da abertura das grelhas em relação às dimensões dos grãos do material de aterro. Foi encontrado que no segundo estágio de carga (após a primeira restauração da estrada) as estradas conseguiram resistir a números maiores de ciclos de carga, comparado com o primeiro estágio de carga. Acredita-se que isso tenha sido consequência de uma maior compactação do material do subleito, após o primeiro estágio de carga. As estradas reforçadas com as grelhas G1 e G2 foram as que apresentaram os melhores fatores de eficiência (16.2 e respetivamente). Se esses resultados forem extrapolados para a prática, implicam em diminuição da periodicidade das manutenções e consequente diminuição dos custos operacionais da estrada. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Universidade de Brasília, ao CNPq-Conselho Nacional para o Desenvolvimento Científico e Tecnológico pelo financiamento da pesquisa e às empresas que forneceram os geossintéticos empregados neste trabalho. REFERÊNCIAS IRF (6). World road Statistics 6: Data 1999 to 4. International Road Federation. Giroud J., Han J. (4). Design method for Geogrid- Reinforced unpaved roads. I. Development of Design Method. ASCE Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 13, No. 8: Góngora, I.A.G. (15). Estradas não Pavimentadas Reforçadas com Geossintéticos: Influência de Propriedades Físicas e Mecânicas do Reforço. Tese de Doutorado, Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, 95 p. Oda, S., Fernandes JR., J.L., Sória, M.H.A. (1). Caracterização de Estradas Não Pavimentadas Visando a Implementação de um Sistema de Gerência de Vias. Engenharia Arquitetura. São Carlos, SP, v.1, n.2, p