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3.4 Mentale modeller
A finalidade básica do dimensionamento de um pavimento é estabelecer uma altura de aterro necessária à adequada distribuição dos carregamentos impostos pelos veículos, tal que as tensões aplicadas ao solo de fundação sejam inferiores à capacidade de carga (Ferreira Júnior, 1995). Conforme os princípios em que os métodos de dimensionamento se apóiam, estes podem ser classificados em empíricos ou mecanísticos-empíricos. Silva (2003) atribui a essência empírica aos métodos de dimensionamento baseados em experiências acumuladas ao longo dos anos, pela
observação pura do desempenho do pavimento e das propriedades dos materiais empregados. Por outro lado, os métodos empíricos-mecanísticos levam em conta modelos de múltiplas camadas apoiadas sobre um solo de fundação, obedecendo a regimes eláticos ou visco-elásticos; utilizam-se de ferramentas computacionais para a determinação de tensões e deformações, calibrando seus resultados com o emprego de correlações empíricas. O grande desafio é empregar um método de dimensionamento que contemple, simultaneamente, aspectos quantitativos relativos à natureza do tráfego (carga e repetição) e à fiel geometria das camadas do pavimento (incluindo a distribuição não-linear de esforços); e aspectos qualitativos, baseados na distribuição sazonal e fatores climáticos diversos.
Estradas com tráfego de CFE estão sujeitas a cargas por eixo dianteiro da ordem de 800kN (80tf) e cargas por eixo traseiro da ordem de 1.700kN (170tf). Ocorre que a maioria dos critérios de dimensionamento de pavimentos rodoviários são referenciados ao tráfego de veículos comuns, isto é, abrangem cargas por eixo inferiores a 441kN (45tf). Além disso, atêm-se a parâmetros isolados, não compatibilizando satisfatoriamente aspectos vinculados à capacidade de suporte (CBR), elementos relacionados à mecânica do pavimento (resiliência, deflexões etc.) e características intrínsecas do material (tamanhos dos grãos, coesão, expansibilidade etc.). Mais além, se aplicam a pavimentos flexíveis e semi-rígidos, sendo escassos os critérios de dimensionamento voltados à “engenharia das não pavimentadas” ou estradas de serviço de complexos mineradores, sujeitas à ação de elevadas cargas e à manutenção constante.
A título de referência, pode-se citar o trabalho desenvolvido por Motta (1991), que propôs um método de dimensionamento de pavimentos flexíveis envolvendo a resiliência dos materiais constituintes e o dimensionamento propriamente dito por um método mecanístico; com base em modelos de tensão versus deformação de materiais e com o auxílio de programas computacionais que utilizam resultados obtidos por Boussinesq, Burmister, Odemark e outros.
Porter (1950), apud Medina e Motta (2005), baseando-se na escolha de materiais que trouxessem proteção à fundação do pavimento, resultados de CBR e observações em
campo, elaborou um método empírico que correlaciona o índice CBR com a espessura necessária de aterro, por meio de curvas, de tal sorte a conferir ao subleito proteção contra o cisalhamento. O Corpo de Engenheiros do Exército Norte-americano, em 1962, retomou os estudos de Porter, incluindo o conceito de repetição de cargas e de fator de equivalência de carga. Estabeleceram, ainda, uma relação entre o número de operações de carga padrão de 18.000 lb (8.165kg) e a espessura de pavimento mínima, necessária para proteção contra a ruptura por cisalhamento de um subleito com um dado CBR.
Um método bastante clássico é o “Método do Departamento Nacional de Estradas de Rodagem” (DNER), proposto pelo engenheiro Murillo Lopes de Souza, conforme descrito em Senço (1997) e Medina e Motta (2005). Segundo Silva (2003), trata-se de uma adaptação do método do Corpo de Engenheiros Norte-americanos, tendo como auxiliar o trabalho intitulado “Design of Flexibles Pavements Considering Mixed Loads and Traffic Volume”, de autoria de Thurnbull, Foster e Ahlvin e algumas conclusões da pista de teste da AASHTO (EUA). Neste método, os materiais empregados nas camadas dos pavimentos recebem coeficiente de equivalência estrutural, em relação a um material padrão de coeficiente igual a 1. Estes coeficientes de equivalência estrutural convertem a espessura real de uma camada em espessura equivalente, para efeito de dimensionamento da estrutura. O método especifica os materiais adequados para serem utilizados na estrutura do pavimento, tais como:
• Reforço do subleito: materiais com CBR maior que o do subleito e expansão menor que 2%;
• Sub-base: materiais com CBR maior que 20%, expansão menor que 1% e índice de grupo igual a zero;
• Base: materiais com CBR maior que 80% (60% para N < 106) e expansão menor que 0,5%. O limite de liquidez deve ser menor ou igual a 25% e o índice de plasticidade menor ou igual a 6%.
Para vias de baixo volume de tráfego, o método do DNER fixa as espessuras mínimas de revestimento em 5cm para concreto asfáltico e recomenda a utilização de tratamentos superficiais quando N<106 repetições equivalentes ao eixo padrão de 8,2tf. Para um
dado valor de CBR do subleito, o método apresenta um gráfico onde se obtém a espessura necessária em termos de material granular com coeficiente estrutural igual a 1; esta espessura total é, em seguida, desmembrada em espessuras de camadas sucessivas, com o uso de inequações e dos coeficientes estruturais de cada material.
O método do Índice de Grupo, concebido por D. J. Steele, engenheiro do Bureau of Public Roads, é um método empírico baseado no índice de grupo (IG) dos materiais. Portanto, depende apenas de resultados de ensaios de granulometria e de limites de consistência. Segundo Senço (1997), trata-se de um critério a ser empregado no pré- dimensionamento do pavimento, dadas as limitações impostas pelo classificador IG, que pesquisa apenas a fração fina do solo, não diferenciando as variações de atrito internas trazidas pela fração inerte. Esse método é, na verdade, um classificador das condições do material do subleito, que associa aspectos advindos do Sistema de Classificação Rodoviária (AASHTO). A partir da avaliação do IG a ser adotado para o material do subleito, opta-se pelos limites de tráfego leve, médio ou pesado9, referidos a veículos comerciais por dia; a partir daí, entra-se no ábaco da Figura 3.36 e obtém-se as seguintes espessuras do pavimento:
• Curva A: espessura necessária de sub-base (e3);
• Curva B: espessura total de revestimento, base e sub-base (e1 + e2 + e3), para tráfego leve;
• Curva C: espessura total de revestimento, base e sub-base (e1 + e2 + e3), para tráfego médio;
• Curva D: espessura total de revestimento, base e sub-base (e1 + e2 + e3), para tráfego pesado;
• Curva E: espessura adicional de base que pode substituir a sub-base dada pela curva A (quando for justificável técnica e economicamente).
A espessura do revestimento e1 é arbitrada previamente e, pelo fato do revestimento não
exercer papel estrutural no pavimento, é de praxe adotar esse valor como nulo.
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Tráfego leve: menos de 50 veículos comerciais/dia; tráfego médio: entre 50 e 300 veículos comerciais/dia; tráfego pesado: acima de 300 veículos comerciais/dia.
Figura 3.36: Curvas de dimensionamento no método do IG (apud Senço, 1997).
Giroud e Noiray (1981), apud Ferreira Júnior (1995) propuseram um método de projeto de estradas não pavimentadas com e sem reforço, permitindo a obtenção da altura de aterro necessária e a seleção adequada do tipo de reforço (geotêxtil). Basicamente, este estudo avalia os riscos de ruptura de um solo de fundação argiloso, aplicados a análises sob condições estáticas e dinâmicas.
Na análise sob condições estáticas, são admitidas as seguintes hipóteses: i) o carregamento é imposto por um eixo simples de rodas duplas; ii) o espraiamento da pressão aplicada na superfície do aterro com a profundidade é assumido ser em forma piramidal; iii) o tráfego de veículos sempre se desenvolve em uma única trilha e iv) o subleito está sujeito a uma pressão uniforme distribuída sob a pirâmide de espraiamento e a uma sobrecarga lateral a esta. As críticas feitas a este método são as seguintes: i) a obtenção da resistência não-drenada do solo subleito é feita através de correlação empírica com o índice de suporte Califórnia (CBR); ii) as características do material de aterro não são levadas em consideração, inviabilizando a utilização do método no caso de materiais de aterro de baixa qualidade e tipicamente arenosos e iii) considerando que o tráfego se desenvolve sempre na mesma trilha, não se leva em conta carregamentos aplicados de forma errática.
A expressão para a determinação da altura da camada de aterro h0 de estradas não
(
)(
)
0 0 0 0 u tg h 2 L tg h 2 B 2 P c α + α + = π (3.23)onde Cu é a resistência não-drenada do subleito; P é a carga por eixo; B é a largura do
retângulo de distribuição da carga das rodas duplas; L é a largura do retângulo de distribuição da carga das rodas duplas e α0 é o ângulo de espraiamento do aterro.
Webster e Alford (1978, apud Ferreira Júnior, 1995) apresentaram um gráfico que fornece a espessura da camada de aterro (h0’) como uma função do número de repetições (N) e do Índice Suporte Califórnia (CBR) do subleito, para um eixo padrão de 80kN, empregando-se como critério de ruptura uma rodeira de 75mm:
(
)
0,63 0 CBR N log 0,19 ' h = (3.24)Giroud e Noiray, utilizando as relações empíricas
cu = 30 CBR (Pa) (3.25)
(
)
[
logN-2,34 r -0,075N
log ⇔
]
(3.26)expandiram a expressão de Webster e Alford para diferentes valores de rodeira (r) e carga de eixo do veículo (P), limitada a valores de N inferiores a 104:
( )
0,63 u 0 c 11,8887 - r 3,7892 - P log 6,3964 N log 1,6193 ' h = + (3.27)Posteriormente, Giroud et al. (1984, apud Ferreira Júnior, 1995) corrigiram esta expressão para a carga do eixo padrão (80kN):
(
)
[
]
( )
0,63 u 0 c 0,075 - r 294 - N log 125 ' h = (3.28)que é a expressão para a determinação da altura da camada de aterro de estradas não pavimentadas e sem reforços, sob condições dinâmicas.
Palmeira (1990) apresenta expressões para o caso dinâmico, em substituição às equações e gráficos propostos por Giroud e Noiray (1981, in Ferreira Júnior, 1995), utilizando uma pressão de calibragem dos pneus pc de 690kPa (100psi) e carga por eixo
simples padrão P de 80kN (8,2tf). Para o caso de estradas sem reforço, a altura da camada de aterro é 0 b u 0 0 ' a c h = (3.29)
onde ao e bo são coeficientes apresentados na tabela 3.7.
Tabela 3.7: Coeficientes para o dimensionamento de estradas não pavimentadas propostas por Palmeira (1990, modificada).
r (m) a0 b0 0,075 4,86 -0,63 0,150 4,58 -0,63 0,300 4,01 -0,63 r (m) a0 b0 0,075 6,48 -0,63 0,150 6,19 -0,63 0,300 5,62 -0,63 r (m) a0 b0 0,075 8,10 -0,63 0,150 7,81 -0,63 0,300 7,25 -0,63
pc=690kPa e P=80kN (eixos simples e rodas duplas)
N=103
N=104
N=105
Um critério de análise comum na engenharia de minas tem sido um método bastante simplista, que emprega o CBR e a carga de roda como dados de entrada para se determinar as alturas necessárias a cada camada do pavimento, conforme apresentado por Lima (2006). Admite-se, geralmente, as seguintes condições de análise do ábaco mostrado na Figura 3.37:
• O peso bruto do CFE é distribuído em 33% para o eixo dianteiro e 67% para o eixo traseiro;
• A pressão de inflação dos pneus é da ordem de 620kPa (90 psi); • A área de contato pneu-pavimento é admitida como circular;
• É comum se majorar a carga por roda em cerca de 20%, considerando as cargas superficiais transmitidas pelas rodas do eixo traseiro como situações mais desfavoráveis;
• O pavimento se comporta segundo um regime elástico-linear, sendo que o ângulo de espraiamento da carga é igual a 45°.
C
CAAPPÍÍTTUULLOO44
4 MATERIAIS E METODOLOGIA DE TRABALHO
4.1 INTRODUÇÃO
De uma maneira geral, este trabalho fundamenta-se no planejamento, construção e monitoramento de um pavimento rodoviário experimental, em planta de mina, destinado ao tráfego de caminhões fora-de-estrada (CFE). Mais além, visa investigar a resposta mecânica e a durabilidade do pavimento ao longo do tempo, por meio de sensores criteriosamente instalados em quatro seções-testes, os quais fornecerão importante banco de dados; bem como os aspectos inerentes a cada sensor utilizado, os procedimentos de calibração em laboratório e os arranjos quando de sua implantação na pista de testes.
Todo o projeto foi amparado por uma ampla campanha de ensaios geotécnicos em laboratório, estudando-se cinco diferentes tipos de estéreis arenosos de minério de ferro, aqui colocados como os materiais disponíveis para a infra e superestrutura viária.
Além dos materiais ensaiados, este capítulo descreve acerca dos trabalhos de estabilização da camada de base, empregando-se diferentes tipos de estabilizadores químicos. Serão descritos, ainda, três diferentes técnicas de tratamento contra pó (TCP), aplicadas à superfície do pavimento em questão, entendidas como medidas mitigadoras da emissão excessiva de materiais particulados.
O mérito desta pesquisa reside em se estudar o comportamento de uma estrada de mina ante a aplicação de cargas brutas da ordem de 250.000kg, por ocasião da passagem de CFE. O pavimento construído teve como premissa seguir em grande parte a rotina de execução já adotada pela equipe de infra-estrutura de mina, de forma a não gerar procedimentos que implicassem gastos extras à empresa mineradora. A proposta inicial foi, para tanto, criar uma nova rotina, adaptada da já existente, que padronizasse e otimizasse as técnicas de execução de pavimentos em mina, ao mesmo tempo em que buscasse implementar a utilização racional de resíduos sólidos gerados pela própria mina em estudo, embasando-se em um acompanhamento tecnológico dos materiais e das técnicas empregadas. Posto isso, pode-se afirmar que a conjugação das três vertentes — concepção de estradas de mina, reutilização de resíduos de mineração e instrumentação de pavimentos — constituem o “tripé” básico e inicial para o estudo do comportamento mecânico de estradas do tipo, sobretudo dos caminhos de serviço de complexos mineradores.