Dimensionamento de Pavimentos Urbanos com o Emprego do Cone de Penetração Dinâmico

Dimensionamento de Pavimentos Urbanos com o Emprego do Cone de Penetração Dinâmico Claudia Moreira Dal Pai, Msc., Glicério Trichês, Dr. Universidade Federal de Santa Catarina UFSC, Florianópolis, Santa Catarina. RESUMO: Este trabalho descreve o procedimento de dimensionamento dos pavimentos urbanos com a utilização de um ábaco, no qual entra-se com capacidade de suporte do solo in situ definida pelo equipamento de Cone de Penetração Dinâmico (Dynamic Cone Penetrometer DCP) e, obtêm-se diretamente a espessura total do pavimento para o tráfego local (Dal Pai, 25). Os ábacos foram desenvolvidos a partir dos métodos do DNER (1979) e da Prefeitura Municipal de São Paulo (1992). Entretanto, é fundamental a determinação da umidade in situ do solo de fundação, bem como identificar o tipo de solo. Para isso, foram coletadas amostras de solo in situ para a determinação da umidade com um tubo amostrador adaptado à haste do DCP, identificando-se o tipo de solo da seção investigada até a profundidade final de cravação da haste do DCP para que se aplique adequadamente a relação CBR x DCP (Dal Pai, 25). PALAVRAS-CHAVE: Solos, Cone de Penetração Dinâmico (DCP), Dimensionamento, Pavimento Urbano, Resistência. 1 INTRODUÇÃO Pavimentos urbanos de baixo volume de tráfego são quase sempre executados sem um conhecimento prévio das características geotécnicas dos solos locais, de tráfego e sem a aplicação normativa dos controles tecnológicos dos serviços de campo. Este trabalho apresenta o dimensionamento do pavimento através de um ábaco desenvolvido adequadamente para o tipo solo (Unidade Geotécnica), atendendo as especificações normativas quanto à capacidade de suporte, expansão e umidade de equilíbrio, utilizando-se o equipamento DCP de 8kg e cone de 6º (Dal Pai, 25). Neste, mostra-se o dimensionamento de um trecho de um bairro (Jardim Acarai em São Francisco do Sul, SC) selecionado na pesquisa de Dal Pai (25), avaliando-se a capacidade de suporte e a umidade in situ através do emprego do equipamento DCP. 2 METODO DE ANÁLISE 2.1 Relação CBR x DCP Previamente, definiu-se a relação CBR (Califórnia Bearing Ratio ou Índice de Suporte Califórnia, em %) e DN (DCP Number ou Índice de Penetração do DCP, em mm/golpe) em laboratório, empregando-se o modelo (equação 1) estudado por diversos pesquisadores como Smith e Pratt (1983), Hasim e Kasim (1987), Harison (1986) e outros. log CBR = A + B x log DN (1) onde: A e B = parâmetros de regressão linear de cada solo ou Unidade Geotécnica. Para relacionar as capacidades de suporte CBR e DN, deve-se garantir que estas sejam determinadas nas mesmas condições de umidade. No estudo, a relação CBR x DN foi obtida para o intervalo de umidade de 2% abaixo da umidade ótima e ramo úmido da curva de compactação, de um solo argiloso laterítico (Unidade Geotécnica Cambissolo, horizonte B), classificado pelo Método das Pastilhas da metodologia MCT (Miniatura, Compactado, Tropical) como solo LG (Laterítico Argiloso) de Nogami e Villibor (1995). Para o solo LG, os valores de A e B (equação 2) são, respectivamente, 2,5119 e -1,1145. log CBR = 2,5119 1,1145 log DN (2) com r²=,938 e n=17, sendo r² o coeficiente de determinação e, n o tamanho da

amostra. A equação 2 é válida para o intervalo de umidade (ω) de moldagem de 22% < ω 34% e para o intervalo de 1mm/golpe < DN 9mm/golpe, nas energias de compactação Normal, Intermediária e Modificada (Dal Pai, 25). 2.1.1 Capacidade de Suporte e Umidade in situ A investigação in situ foi realizada na Unidade Geotécnica Cambissolo de horizonte B e C, determinando-se a capacidade de suporte e a umidade in situ em 5 seções transversais, espaçadas aproximadamente a cada 5m, executando-se três ensaios de DCP na seção, um no eixo (EX), um na trilha de roda externa direita (TRLD) e um na trilha de roda externa esquerda (TRLE). Finalizado o ensaio DCP, eram coletadas amostras de solo para a determinação de umidade in situ, empregando-se um tubo amostrador de 16mm de diâmetro por 15mm de comprimento adaptado à própria haste do DCP para a sua cravação. A coleta da amostra para a determinação de umidade foi realizada a uma distância de 5 a 1mm do ponto do ensaio DCP. As amostras eram coletadas em diferentes profundidades, de modo a se conhecer a variação da umidade ao longo do perfil do solo na seção transversal (Dal Pai, 25). Em campo, as amostras de solo eram acondicionadas em cápsulas de alumínio com tampa, numeradas e colocadas em uma caixa de isopor, determinando-se a umidade em laboratório pelo método da estufa. A Figura 1 ilustra as amostras coletadas para determinação de umidade da área em estudo para o horizonte B e o tubo amostrador (Dal Pai, 25). Haste DCP com 16mm de diâmetro Tubo amostrador com 15mm de comprimento Figura 1: Amostras de solo, Cambissolo-horizonte B, LG. 2.1.2 Definição da Capacidade de Suporte e da Umidade do Solo de Fundação A partir dos resultados de campo, traça-se a Curva DCP, indicando na ordenada a profundidade, em milímietros e, na abscissa, o número de golpes acumulados para alcançar esta profundidade. A Figura 2 ilustra uma Curva DCP de investigação geotécnica na seção transversal nº 38 na posição TRLD do horizonte B, solo LG. Determina-se DN da seguinte maneira: a) traçar uma tangente na parte superior da curva DCP, passando pela origem da curva, e uma outra tangente na parte final da curva DCP; b) a interseção das duas tangentes define a espessura da camada SUPERIOR do perfil (é muito provável que esta camada seja cortada na regularização, portanto ela não foi considerada para efeitos de definição do DN do solo de fundação) e, a espessura da camada do solo de fundação, parte INFERIOR da curva que determina o valor de DN do solo de fundação; d) o valor de DN é a inclinação da reta da curva DCP, ou seja, é razão entre a profundidade e o número de golpes necessários para penetrá-la (Dal Pai, 25). Profundidade (mm) Nº. Golpes Acumulados 1 2 3 4 5 6 31,9 48-1 -155-2 -3-4 -5-6 -7-8 -842-9 -1 Parte SUPERIOR da curva DCP Parte INFERIOR da curva DCP Figura 2: Curva DCP na posição TRLD da seção nº.38. A Figura 3 ilustra as curvas DCP numa seção transversal (seção nº 38). Definiram-se os seguintes DN para o solo de fundação: na posição TRLE, obteve-se um DN=36,8mm/golpe (inclinação da reta da parte final da curva DCP); na posição EIXO, obtevese um DN=33,8mm/golpe; e, na posição TRLD obteve-se um DN=42,7mm/golpe. Nesta seção

foram definidos três valores de DN para o solo de fundação. O valor de DN representativo na seção pode ser a média dos 3 valores ou o maior valor numérico de DN, que corresponderia ao menor resistência encontrada na seção investigada. Considerando o critério de menor resistência na seção nº 38, o valor DN representativo do solo de fundação é 42,7mm/golpe, a partir da profundidade de - 155mm da curva DCP (parte inferior da curva) (Dal Pai, 25). Profundidade (mm) -1-2 -3-4 -5-6 -7-8 -9-1 Nº. Golpes Acumulados 1 2 3 4 5 6 TRLE EIXO TRLD DN= 36,8 DN= 33,8 DN= 42,7 Figura 3: Curva DCP em três pontos da seção nº.38. A Figura 4 mostra o Diagrama de Umidade da seção nº.38 nas posições TRLE e EIXO. Profundidade (mm) -1-2 -3-4 -5-6 -7-8 -9-1 Umidade (%) 1 15 2 25 3 35 4 13,% 19,31% 2,5% 26,47% Figura 4: Diagrama de Umidade da seção nº.38. TRLE EIXO Como não foi determinada a umidade in situ na posição TRLD (de menor resistência do solo de fundação), foi considerada neste caso, como a umidade do solo de fundação, o maior valor de umidade, visto que há uma relação entre DN e umidade (Dal Pai, 25). Também, poder-se-ia definir a umidade em uma seção como a média dos valores individuais quando as diferenças entre os valores não sejam significativas. Para seção nº.38, a umidade considerada do solo de fundação foi de 26,47%. Assim, na seção nº 38 foram definidos para o solo de fundação uma resistência DN de 42,7mm/golpe e uma umidade de 26,47%. 2.1.3 Definição do DN de Projeto para um Trecho Investigado Em um trecho de aproximadamente 19m foram investigadas 6 seções (38, 37, 36, 36, 31 e 27 - rua Franklin de Oliveira), e obteve-se os pontos DN e Umidade in situ do horizonte B indicados na Tabela 1. Tabela 1: Solo de Fundação, DN e umidade in situ da rua Franklin de Oliveira, horizonte B grupo LG. Seção DN(mm/golpe) Umidade in situ (%) 38 42,7 26,47 37 42,3 3,2 36 31,4 29,68 36 35,1 3,28 31 46,8 27,7 27 35,9 27,4 Na Figura 5 indicam-se os pontos representativos de DN e umidade de cada seção do trecho em estudo. A interpretação destes pontos em relação à curva DN x umidade é que os pontos abaixo dela estão compactados com uma energia maior, enquanto que acima dela, os pontos estariam mal compactados. Estes pontos, desde que muito mal compactados, devem ser recompactados e, se o DN estiver acima de 65mm/golpe, o material deve ser substituído (Dal Pai, 25). Observa-se na Figura 5 que apenas o ponto da seção nº 38 encontrou-se fora do intervalo de 2% da umidade ótima. A tendência deste ponto ao entrar em equilíbrio (estar na região entre ± 2% da umidade ótima) é aumentar o DN de 42,7mm/golpe para um valor de, aproximadamente, 45mm/golpe no limite do intervalo de umidade inferior de 26,9%.

DN (mm/golpe) 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 N: w ót = 28,9% I: w ót= 24,9% M: w ót= 22,5% log DN =,882 w -,9113 r² =,976 DN mínimo = 31mm/golpe...CBR= 7,% DN máximo = 65mm/golpe...CBR=3,1% -2 p.p. da w ót. Normal +2 p.p. da w ót. Normal DN na w ót.= 34mm/golpe na Normal Rua F.de Oliveira: DN e w "in situ" S38 S31 S37 S36 S27 S36 1 1 15 2 25 3 35 4 Umidade (%) Figura 5: DN e umidade in situ das seções do trecho em estudo. A seção nº.38, juntamente à seção nº.31, estariam compactados com uma energia menor que a do Proctor Normal. Nas duas seções, o solo de fundação deveria ser recompactado. Devido à profundidade (solo de fundação) a que eles estão e o transtorno que isto daria ao ser recompactado ou substituído, pela existência de tubulações das concessionárias, optou-se em manter esses valores. Na Tabela 2 são apresentados os valores de DN representativos das seções investigadas para dimensionamento de espessura total do pavimento (Dal Pai, 25). Tabela 2: Solo de Fundação, DN e umidade in situ das seções da rua Franklin de Oliveira, horizonte B LG. Seção DN (mm/golpe) Umidade in situ (%) 38 45, 26,9 37 42,3 3,2 36 31,4 29,68 36 35,1 3,28 31 46,8 27,7 27 35,9 27,4 Aplicando procedimentos estatísticos de estimativa do intervalo de confiança da média da população (μ) quando não se conhece o desvio padrão da população (σ ), para um nível de confiança de 9%, definem-se os intervalos da média da população de DN em 34,4mm/golpe < μ < 44,5mm/golpe. Logo, o valor do DN projeto para dimensionamento da espessura total do pavimento, no trecho em estudo, é 44,5mm/golpe (menor resistência). 3 RESULTADOS OBTIDOS 3.1 Ábaco para Dimensionamento da Espessura Total do Pavimento Para obter a espessura total do pavimento (Ht) em função do DN de projeto, aplicou-se o modelo do Método do DNER (1979) dada pela equação 3 (este modelo dá Ht em cm): Ht = a x N b x CBR c (3) onde: Ht = espessura total do pavimento (cm); N = número equivalente de operações do Eixo Simples Padrão de 8,2 toneladas (USACE); CBR = Índice Suporte Califórnia; a, b e c = coeficientes de regressão do Método do DNER (1979). Também, empregou-se o procedimento da Prefeitura Municipal de São Paulo (1992), que se baseia no método de projetos de pavimentos flexíveis do Eng. Murilo Lopes de Souza e nos métodos MD-1 e MD-3T/79 da PMSP. O procedimento empregado para definir o ábaco de dimensionamento, no qual determina-

se a espessura do pavimento (Ht) em função da resistência DN, foi substituir o parâmetro CBR da equação 3, colocando-o em função de DN, uma vez que se conhece para cada tipo de solo ou Unidade Geotécnica a relação CBR x DCP. A espessura total do pavimento em termos de DN é dada pela equação 4: Ht = a x N b x [1 (A + B x log DN) ] c (4) onde: Ht = espessura do pavimento, em termos de material granular, em cm; N = nº. equivalente de operações do Eixo Simples Padrão de 8,2 toneladas; DN = resistência do solo obtida com o equipamento DCP em mm/golpe; a, b e c = coeficientes da equação 3 DNER (1979) ou das curvas de dimensionamento da PMSP; A, B = coeficientes de regressão linear simples da relação CBR x DCP de cada solo ou Unidade Geotécnica. Os resultados dos ensaios de laboratório do solo LG, horizonte B, apresentaram valores de CBR variando de 5,5% (energia Normal) a 22,6% (energia Modificada) e expansões abaixo de 1%. A Norma DNER-ES 282/97- Terraplenagem-aterros, orienta que a camada final dos aterros deverá ser constituída de solo selecionado na fase de projeto (...). Não será permitido o uso de solos com expansão maior que 2%. Também, os materiais para reforço do subleito devem apresentar um CBR maior que o do subleito e expansão 1% (Pinto e Preussler, 22). Portanto, o solo natural, LG, horizonte B, na condição in situ pode ser empregado como corpo de aterro (6mm), bem como reforço e/ou camada de regularização-camada final do aterro, dentro de um limite de DN e umidade. Para corpo de aterro, a equação 2 foi empregada para os intervalos de DN de 31mm/golpe < DN 65mm/golpe, que correspondem, respectivamente aos CBR= 7,1% e CBR= 3,1% e, umidade in situ variando no intervalo de 28% ω 31% para as resistências definidas, para compactação na energia Normal. 3.2 Determinação de Espessura Total do Pavimento utilizando-se os Ábacos de Dimensionamento para Corpo de Aterro dentro do limite de DN definidos anteriormente. Obtêm-se a espessura total do pavimento através do ábaco da seguinte maneira: entra-se com o valor de DN projeto na abscissa, seguindo na vertical até encontrar a curva de tráfego desejada, encontrando-se na ordenada o valor da espessura total do pavimento. Para um DN projeto = 44,5mm/golpe e tráfego de N ESP8,2t = 1., encontram-se nos ábacos de dimensionamento da PMSP (1992) (Figura 6) e DNER (1979) (Figura 7) os valores das espessuras totais de pavimento (Ht). Espessura do Pavimento Ht (cm) 6 55 5 45 4 35 3 25 1. 1. 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 DN (mm/golpe) Figura 6: Ábaco de dimensionamento de Cambissolo horizonte B, grupo LG, Corpo de Aterro in situ, PMSP/92. Espessura do Pavimento Ht (cm) 7 65 6 55 5 45 4 35 3 1. 1. 1. 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 DN (mm/golpe) Figura 7: Ábaco de dimensionamento de Cambissolo horizonte B, grupo LG, Corpo de Aterro in situ,dner/79. As Figuras 6 e 7 estão com Ht em cm. Neste exemplo, os valores apresentados são convertidos em mm (1cm=1mm). Assim, para o trecho de 19m da rua Franklin de Oliveira definem-se, nos respectivos ábacos as seguintes espessuras

totais para atender ao tráfego N ESP8,2t =1. e proteger o subleito: PMSP (1992): Ht 42mm; e DNER (1979): Ht 54mm. Durante a construção, após os serviços de regularização do leito e compactação, a camada final do corpo de aterro poderá ser reavaliada quanto ao DN e a espessura total do pavimento redimensionada. Tal procedimento poderá resultar em economia na pavimentação (Dal Pai, 25). Por exemplo, se após os serviços de regularização do solo de fundação fosse obtida uma camada de pelo menos 15mm com um DN regularização = 31mm/golpe, para atender ao N ESP 8,2 t = 1., definem-se nos ábacos: PMSP (1992): Ht 31mm; e, DNER (19/79): Ht 42mm. Fazendo-se a verificação para proteger o subleito, tem-se: Ht + 15 Ht PMSP (1992): 31mm + 15mm 42mm 46mm 42mm; e DNER (1979): 42mm + 15mm 54mm 57mm 54mm. Portanto, a recompactação de pelo menos 15mm da camada final do corpo de aterro, representaria uma redução de 11m na espessura total do pavimento, segundo a metodologia da PMSP (1992) (Dal Pai, 25). 4 CONCLUSÕES O presente trabalho investigou os principais aspectos relacionados à resistência do solo de fundação, umidade e ábaco de dimensionamento: Aplicou-se a relação CBR x DCP de laboratório no intervalo de dois pontos percentuais abaixo da umidade ótima e ramo úmido da curva de compactação, o que garante as mesmas condições de umidade com um coeficiente de determinação r² elevado. A espessura do solo de fundação é a parte parte inferior da curva DCP, após o ponto de intercessão. A amostragem de solo com o tubo amostrador de 16mm adaptado ao equipamento DCP permitiu coletar amostra para a umidade e identificar o tipo de solo no perfil até 1mm, possibilitando aplicar a relação CBR x DCP do solo identificado. Os ábacos de dimensionamento desenvolvidos permitiram de maneira rápida, determinar espessura total do pavimento para a Unidade Geotécnicas estudada e/ou tipo de solo, em função da resistência in situ do solo de fundação e o tráfego local. Também, podese avaliar o DN da camada final do corpo de aterro após os serviços de regularização e, assim, redimensionar a estrutura do pavimento rapidamente. REFERÊNCIAS DNER (1979) Departamento Nacional de Estradas de Rodagem Método de Dimensionamento de Pavimentos Flexíveis. DNER/1979, Rio de Janeiro- R.J. (1997) Especificação de Serviço ES 282/97 Terraplenagem aterros. Rio de Janeiro-R.J. Prefeitura Municipal de São Paulo (1992) Pavimentação Urbana: Procedimento de Dimensionamento de Pavimentos para Vias de Tráfego Leve e Muito Leve. São Paulo. Dal Pai, C.M. (25) Investigação Geotécnica de Vias Urbanas Empregando o Método das Pastilhas e o Penetrômetro Dinâmico de Cone DCP. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil. Universidade Federal de Santa Catarina, 257 p. Smith, R.B. e Pratt, D.N. (1983) A Field Study of In Situ California Bearing Ratio and Dynamic Cone Penetrometer Testing for Road Subgrade Investigations. Australian Road Research, 13(4), December 1983, P. 285-294. Hasim, M.S.B. e Kasim, Z.A.B.M. (1987) Quick In Situ- CBR for Road Engineering from DCP / In Situ Relationship Developed in Malaysia. Harison, J.A. (1986) Correlation of CBR and Dynamic Cone Penetrometer Strength Measurement of Soils. Australian Road Research, 16(2). June, 1986, p.13-136. Nogami, J.S. e Villibor, D.F. (1995) Pavimentação de Baixo Custo com Solos Lateríticos. São Paulo: Villibor, 188p. Pinto, S. e Preussler, E. (22) Pavimentação Rodoviária Conceitos fundamentais sobre pavimentos flexíveis. Rio de Janeiro.