POSSIBILIDADE DE CONTROLAR O PROCESSO CONSTRUTIVO DE ATERROS COM RECURSO A DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO PORTÁTIL

- DIP

THE EMBANKMENT CONSTRUCTION CONTROLLING PROCESS USING THE LIGHTWEIGHT DROP WEIGHT TESTER

Gonçalves, Jorge, Portugal,

jg.geologia@gmail.com

RESUMO

A construção de aterros e o seu efectivo controlo é um processo que tem vindo a sofrer alterações técnicas e metodológicas, possibilitando a execução de obras rodoviárias em contextos geológicos complexos, sem perdas sensíveis de produtividade. O ensaio dinâmico de carga com placa, efectuado com recurso a Deflectómetro de Impacto Portátil (DIP), é uma alternativa ao Ensaio Estático de Carga com Placa, assegurando ganhos significativos de produtividade no controlo construtivo de aterros. O Ensaio Dinâmico de Carga com Placa apresenta também vantagens relativamente aos ensaios com gamadensímetro, que recorre à determinação dos graus de compactação por comparação entre o peso específico aparente seco e o peso específico aparente seco máximo. Neste trabalho são analisados dois casos de obra, a construção da secção E da Auto-estrada A4, entre Kleszczów e Sosnica, na Polónia, e a construção do Sistema de Saneamento do Oeste, em Portugal., são ponderadas as vantagens do método adoptado e discutidas as suas potencialidades e limitações.

.

ABSTRACT

The embankment construction process and his effective control is a process that had been suffering technical and methodological changes, allowing the road construction process in complex geological contexts, without significant lost of productivity. The Dynamic Plate Bearing Test performed with the Lightweight Drop-Weight Tester (LDWT) appears as an alternative to the Static Plate Bearing Test, ensuring significant profits of productivity in the embankment construction controlling process. The dynamic plate bearing test reveals also certain advantages when compared with the Degree of Compaction Nuclear Test that uses the determination of the compaction degree based on the comparison between the natural dry density of the soil and his maximum dry density. In this report two real work cases are presented, namely the construction of section E of the A4 Motorway, between Kleszczów and Sosnica, in Poland, and the construction of the West sanitation system, in Portugal, where the limitations and potentials of this equipment were analysed.

1. INTRODUÇÃO

A construção de aterros é hoje um processo sofisticado, que acompanha as mais recentes actualizações, quer ao nível da execução, quer ao nível do controlo de qualidade. O Ensaio Dinâmico de Carga com Placa, efectuado com recurso a deflectómetro de impacto portátil (DIP), é uma alternativa ao Ensaio Estático de Carga com Placa, particularmente em obras extensas e que envolvem, no contexto geral do projecto, limitações espaciais. O Ensaio

Dinâmico de Carga com Placa apresenta também vantagens relativamente aos ensaios com gamadensímetro, equipamento que assenta a sua aplicabilidade na determinação dos graus de compactação por comparação entre o peso específico aparente seco do solo e o peso específico aparente seco máximo, determinado laboratorialmente através dos ensaios Proctor.

2. O ENSAIO DINÂMICO DE CARGA COM PLACA

2.1. Áreas de aplicação

O ensaio dinâmico de carga com placa é utilizado para determinar a capacidade portante e a qualidade da compactação das camadas de solo e bases granulares, aplicados na construção de terraplenos e vias de comunicação. Trata-se de um ensaio que não depende directamente da natureza dos solos, embora se recomende uma identificação genérica destes, nomeadamente quanto ao seu teor de humidade ou distribuição granulométrica. Este facto torna-se particularmente vantajoso quando comparado com os Gamadensímetros, que necessitam de valores de baridade seca máxima como referência e consequentemente da constante realização de ensaios Proctor, facto gerador de moras, inúmeras vezes incompatível com a dinâmica das obras.

O ensaio dinâmico de carga com placa executa-se num curto espaço de tempo . Por outro lado, permite uma aferição rápida do grau de uniformidade da zona ensaiada e a análise estatística dos resultados obtidos. Os ensaios de carga dinâmicos diferem dos ensaios de carga estáticos (refere-se como uma das normas de referência a DIN 18-134), uma vez que a carga assume a forma de impacto. No impacto actuam forças de inércia no solo e no equipamento e estas têm efeito nos movimentos que foram gerados.

A aplicação deste ensaio é particularmente favorável em solos de grão médio a grosseiro, mas com uma dimensão máxima dos grãos de 63mm, não invalidando, no entanto, a análise de solos finos e coesivos. O ensaio pode ser aplicado para determinar módulos de elasticidade Evd com valores entre 15 e 80MN/m2 (MPa). Contudo, quando se trabalha sobre bases granulares de granulometria extensa podem-se obter valores de Evd na ordem dos 120MN/m2. Este facto deve-se, essencialmente, à rigidez do pavimento, cuja deformação imposta pelo impacto da massa de golpeio, é mínima.

2.2. Interpretação

O ensaio de carga sobre placa permite definir o comportamento do material em termos de deformações, em particular na zona de níveis de tensões mais baixas, onde o seu comportamento se aproxima do tipo elástico. A interpretação teórica do ensaio de carga pode ser conduzida em termos equivalentes ao do problema de Bousinesq, ou seja, o problema da distribuição de tensões e deformações provocadas pela actuação duma carga transmitida a um semi-espaço, elástico e homogéneo, através de um elemento rígido. Para o caso dum elemento circular, como são, regra geral, as placas de ensaio, a solução do problema de Bousinesq, conduz a (1):

δ = (π/2) * ((1-ν2)/Ε) * p * r (1)

onde: δδδδ − assentamento da placa (mm) νννν − coeficiente de Poisson E – módulo de Elasticidade (MPa ou MN/m2) p – pressão aplicada à placa (MPa) r – raio da placa (mm)

Habitualmente nos materiais com que se lida em Mecânica de Solos o valor do coeficiente de Poisson situa-se próximo de 0,3. Tendo-se adoptado este valor como um dado do problema, obtém-se (2) :

δ = (1,5 * r * p)/E (2)

Ou seja o módulo de Elasticidade (E), pode ser calculado da seguinte forma (3):

E = (1,5 * r * p)/ δ (3)

A metodologia adoptada baseia-se na norma alemã ZTVA-StB 94 section 8, particularmente adaptada ao processo construtivo de aterros em obras rodoviárias, em situações específicas como são as valas e nos procedimentos de ensaio com DIP (ou Lightweight Drop-Weight Tester-LDWT) emergentes da norma TP BF-StB, part B8.3.

2.2.1. Módulo de deformação dinâmico

O ensaio de carga com placa recorrendo ao DIP, é um método no qual o solo recebe um impacto de força máxima (Fmax= 7,07kN) transmitida pela queda de um peso sobre uma placa de carga circular de raio r que se admite como rígida. Quando o dispositivo está calibrado, esta força é tal que a máxima tensão normal бmax sob a placa de carga é de 0,1MN/m2 (MPa) no ensaio.

O módulo de deformação dinâmico Evd é um indicador de elasticidade (deformabilidade) do solo sujeito ao impacto de uma carga vertical indicada no ponto anterior e com a duração tmax=17ms+-1,5ms (Figura 1). O valor é calculado com base na amplitude (smax) do assentamento da placa de carga, adiante denominado assentamento, de acordo com a fórmula (4):

Evd = (1,5 * r * бmax) / smax (4)

Figura 1 – Sequência temporal da força de impacto exercida pelo DIP e assentamento gerado.

2.3. Componentes do equipamento

2.3.1. Geral

Para realizar o ensaio dinâmico de carga com placa é necessário um equipamento ligeiro de impacto. As Figuras 2 e 3 ilustram os principais componentes deste dispositivo.

O equipamento compreende:

- Placa de carga com 300mm de diâmetro e 20mm de espessura (15kg+-0,25kg);

- Medidor de assentamento localizado no centro da placa de carga, posicionado em ângulo recto com a superfície receptora da carga;

s Fs

ts

- Sistema de carga, constituído por um peso suspenso (10kg+-0,1kg), um conjunto de mola de recepção e tubo guia (5kg+-0,1kg) com dispositivo de libertação da carga MUDA PARA FOTOS DO NOSSO EQUIPAMENTO (SIM JÁ COMPRÁMOS) COM AUTOCOLANTE DA GEOPLANO)

Figuras 2 e 3 – Vista geral e de pormenor do Deflectómetro de Impacto Portátil.

2.4. Execução do ensaio

Uma vez a superfície do ensaio preparada e a placa de carga posicionada no solo, o dispositivo de carga é centrado na placa de carga e o dispositivo de leitura é conectado ao centro da placa e pronto para registar a amplitude do assentamento. O tubo guia deverá estar posicionado na vertical, mesmo que a superfície do solo não seja horizontal. Para isso uma bolha de nível encontra-se posicionada junto do dispositivo de fixação do peso, servindo deste modo como elemento de apoio.

O ensaio deve ser precedido de três impactos preliminares (Evd1,2,3) sobre a superfície de ensaio, para que a placa de carga se ajuste de forma perfeita ao solo e ocorram reduções de vazios, que correspondem à primeira fase do ciclo de carga do ensaio estático. O peso deve cair livremente da altura definida e após impacto deve ser retido e colocado novamente na posição original, antes de se proceder ao impacto seguinte. A transmissão das cargas aplicadas faz-se até uma profundidade média correspondente ao dobro do diâmetro da placa utilizada.

Após esta compactação o dispositivo de leitura deve ser reiniciado e o peso deve ser libertado três vezes (Evd4,5,6), registando-se os respectivos assentamentos com uma precisão de +-0,02mm. Deve-se assegurar que o peso cai sempre da altura especificada, sendo retido após cada impacto.

O módulo dinâmico de elasticidade Evd em MN/m2 ou MPa, é calculado mediante a equação (4), em função da máxima tensão normal sob a placa de carga, o diâmetro de 300mm e o valor médio dos três assentamentos, da seguinte forma (5):

Evd= (1,5 * r * бmax)/ smax = (1,5 * 150mm * 0,1MN/m2)/ smax = 22,5 / smax (5)

O modulo dinâmico de elasticidade Evd é expresso em MN/m2 ou MPa, sem fracções decimais (ex. 41MN/m2).

Assim, e de acordo com os dados de referência do equipamento, o módulo de elasticidade Evd, utilizando o valor médio do assentamento smax , pode-se calcular a partir da expressão (6):

Evd = 22,5 / S (6)

3. APRESENTAÇÃO DOS CASOS DE OBRA

3.1 Auto-estrada entre Kleszczów e Sosnica (Polónia)

A obra desenvolveu-se numa extensão aproximada de 19 km tendo apresentado 21 obras de arte. A obra apresentou um défice significativo de solos de empréstimo. Neste sentido recorreu-se, sempre que possível, aos solos da linha e a solos de empréstimo provenientes de manchas localizadas em áreas limítrofes.

3.1.1 Metodologia

O caderno de encargos da obra impunha a realização de ensaios de controlo de compactação dos aterros e das camadas do pavimento com recurso a ensaio estático de carga com placa (Figura 4). Deveriam ser efectuados três ensaios de carga em secção transversal de 25 em 25 metros.

Em face da morosidade do ensaio de carga, que deveria ser realizado em dois ciclos de carga com patamares de carga em cada um dos ciclos, facto incompatível com os prazos impostos pelo cliente para a construção da obra, optou-se por recorrer ao cálculo do módulo de elasticidade dinâmico obtido através do DIP. Para tal foi necessário efectuar ensaios comparativos sobre troços experimentais para diferentes tipos de solos e agregados britados de granulometria extensa a utilizar em obra.

O método de análise comparativa centrou-se na avaliação do módulo de elasticidade relativo ao segundo ciclo (Ev2) e do módulo de elasticidade dinâmico do ensaio com DIP (Evd4,5,6).

No campo, para a obtenção da correlação pretendida para os dois tipos de ensaio efectuou-se, para cada ensaio estático, três ensaios dinâmicos de acordo com a disposição indicada na Figura 5.

Os dados obtidos foram depois colocados em gráficos de correlação Ev2 / Evd4,5,6 ambos expressos em MPa.

Figura 4 - Aspecto geral do equipamento utilizado no ensaio estático de carga com placa

Figura 5 – Esquema de distribuição dos ensaios de campo.

3.2 Saneamento do Oeste – Lourinhã-Peniche (Portugal)

A obra em causa compreendeu uma campanha de controlo construtivo das valas onde foram instaladas as condutas afectas ao sistema de saneamento básico da zona Oeste. Em face das condicionantes construtivas impostas, quer pela geografia quer pela natureza do terreno onde instalaram as condutas, houve grande dificuldade na correcta avaliação do estado

Ensaio DIP

Ensaio de carga Estático

de compactação dos aterros construídos com recurso ao gamadensímetro. A heterogeneidade dos solos obrigou a uma constante amostragem e consequente caracterização laboratorial, facto que se tornou incompatível com a constante necessidade de aprovação das camadas em obra.

3.2.1 Metodologia

Propôs-se uma metodologia investigativa (Figura 6) adaptada à determinação da correlação de valores entre os Graus de Compactação (%) obtidos a partir do gamadensímetro e os Módulos de Elasticidade Evd (MPa ou MN/m2) determinados com o DIP.

Da comparação entre os valores obtidos em cada um dos ensaios foi possível relacionar as duas grandezas e deste uma proposta de correlação para diferentes valores de compactação (90, 95 e 100%), sendo os 95% o valor de referência.

1,2,3 – Sequência dos testes 11- Determinação do teor de humidade in situ

- Ensaio com DIP - Ensaio com Gamadensímetro

Figura 6 – Procedimento de campo para os ensaios com DIP e Gamadensímetro.

Sugeriu-se o desenvolvimento de um plano de ensaios composto por duas fases:

• 1ª Fase: A criação de um troço experimental recorrendo a materiais usualmente utilizados em frente de obra;

• 2ª Fase: Campanha de ensaios em frente de obra para os diferentes materiais interessados, partindo dos valores de referência de peso específico aparente seco, adoptados até à data;

Para o troço experimental e com um procedimento idêntico ao exemplificado na Figura 7, avaliou-se o crescendo de compactação e consequente registo dos módulos de deformabilidade.

Para as zonas agrícolas, considerou-se que o procedimento construtivo deveria centrar-se na concretização dos valores de Evd, obtidos directamente sobre os terrenos existentes, isto é, as áreas intervencionadas deverão apresentar idêntico comportamento dinâmico, em termos de resistência, ao oferecido pelo terreno natural contíguo.

Figura 7 – Esquematização dos ensaios efectuados ao longo do troço experimental.

Val

a 11 2 3 40cm

Início

Fim

1 2

4

3

5 6

Em frente de obra e para avaliação e estabelecimento de correlações entre o Evd e C.R, foram seleccionadas três frentes distintas e considerados três tipos de materiais igualmente distintos, cujos valores laboratoriais de referência se conheciam previamente:

I) Solos finos de natureza areno-siltosa;

II) Solos finos de natureza argilosa;

III) Agregado britado de granulometria extensa, de natureza calcária

A metodologia de ensaio decorreu de forma idêntica à utilizada para o troço experimental e indicada na Figura 7.

4 RESULTADOS OBTIDOS

4.1 Auto-estrada Kleszczów - Sosnica

Nas figuras 8 e 9 seguintes apresentam-se duas das rectas de correlação entre os valores de Ev2 obtidos no ensaio estático de carga com placa e os valores de Evd obtidos a partir do ensaio com DIP, ambos expressos em MPa.

No Quadro 1 são apresentados os valores de Ev2 e Evd adoptados para cada um dos materiais aplicados em cada uma das zonas de aterro e camadas de pavimento.

Quadro 1 – Correlações estabelecidas para os diferentes materiais aplicados em obra.

Camada construída [tipo de solo] Módulo de Elasticidade do ensaio estático Ev2 (MPa)

Módulo de Elasticidade do ensaio dinâmico Evd (MPa) proposto.

Base de Aterro [Solo natural] ≥30 (solos coesivos)

≥40 (solos não coesivos)

≥20

≥25

Base de Escavação [Solo natural] ≥60 ≥30

Corpo de Aterro [Solos naturais, de empréstimo e naturais tratados com cal]

≥60 ≥30

y = 0,3426x + 4,734

R2 = 0,5061

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0 180,0 200,0

Evd

4,5,

6 (M

Pa)

E2 (MPa)

- - - Especificação Alemã ____ Kleszczów-Sosnica

y = 0,1843x + 31,653

R2 = 0,4106

0

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Evd

4,5,

6 (M

Pa)

E2 (MPa)

- - - Especificação Alemã ____ Klescsow-sosnica

Figura 8 - Correlação estabelecida para solos naturais e de empréstimo

Figura 9 - Correlação estabelecida para a camada de coroamento (antifrost) em agregado natural de granulometria

extensa

Leito do Pavimento (Antifrost Layer) [Agregado natural de granulometria extensa-ANGE]

≥120 ≥50

Sub-base (Pavimento) [ANGE] ≥150 ≥55

Base (Pavimento) em Agregado Britado de Granulometria Extensa

≥200 ≥70

4.2 Saneamento do Oeste

Dos ensaios efectuados no troço experimental resultou a análise gráfica (Figura 9) seguinte, que permitiu estabelecer a relação expressa pela equação da recta indicada. Apresenta-se a título de exemplo o solo areno-siltoso utilizado em diferentes frentes de obra, que funcionou como solo de empréstimo para enchimento de valas em zonas de vias de comunicação e que apresentou valores de δsmáx = 1,95g/cm3 e Wopt = 7,5%.

Correlação Compactação Relativa / Módulo de Elasticidade (Saneamento do Oeste-

Lourinhã)

y = 0,8396x - 63,971

R 2 = 0,8161

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

80 85 90 95 100

Compactação Relativa ( %)

C.R (%) versus Evd (Mpa)

Linear (C.R (%) versus Evd

(Mpa))

Figura 9 - Expressão linear da correlação entre CR e Evd para o troço experimental.

Dos ensaios efectuados nas diferentes frentes de obra resultaram diferentes análises gráficas que permitiram estabelecer as correlações de valores entre C.R. e Evd apresentados no Quadro 2.

Quadro 2 – Valores de Evd (MPa) adoptados em obra para o controlo de compactação com Deflectómetro de Impacto Portátil, por tipo de material e área de intervenção.

Áreas de intervenção Tipo de material Compactação

Relativa [%]

Módulo de

Elasticidade [MPa]

(Especificação alemã

ZTVE-StB 94).

Módulo de

Elasticidade

adoptado em obra

[≥ MPa]

Via

s de

com

unic

ação

Solos arenosos (areno-

siltosos)

90 5 12

95 20 17

97 26 19

100 35 25

ABGE (obra) / Solos

grosseiros com burgau

de granulometria

extensa

90 7 27

95 28 37

97 36 41

100 48 47

as

agrí

cola

s ou

vias

secu

ndár

Solos Finos

(argilosos/areno-

85 - -

90 5 5

argilosos/argilo-

siltosos)

95 20 15

97 26 18

100 35 22

5 CONCLUSÕES

O DIP revelou uma eficácia marcante na avaliação geotécnica dos solos, alvo de controlo. Os ganhos em termos temporais e técnicos foram consequência de um método simples e que assegurou uma homogénea correlação, quer com os equipamentos de carga estáticos, quer com os gamadensímetros com efectivos benefícios para as obras em questão. Precisão e correcção nos valores obtidos foram também factores positivos a destacar nas metodologias alternativas, introduzidas. Registaram-se limitações na utilização do DIP, em particular nas camadas superiores e granulares dos pavimentos, onde as capacidades de carga exigidas são elevadas e, consequentemente, as tensões de ensaio, que no caso do DIP são limitadas à massa aplicada.

Importa referir que cada obra apresenta especificidades próprias pelo que, antes de iniciar qualquer processo de controlo, deverá ser desenvolvido um procedimento experimental no sentido de aferir os melhores métodos e com isso obter os melhores resultados construtivos.

AGRADECIMENTOS

Aos consórcios construtores, MSF-TGA-Poland e MOTA/ENGIL-AJFS, cujos convites para controlo de qualidade dos procedimentos nos permitiu aplicar as metodologias descritas e enriquecer os conhecimentos nos domínios específicos desta arte.

REFERÊNCIAS

FloB, R. (1997a). Supplementary Technical Terms and Conditions of Contract and Guidelines for Earthworks in Road Construction ZTVE-StB 94(Issue 1994 as amended 1997). Disponível em http://www (Acesso em 5 de Dez. 2007).

FloB, R. (1997b). Supplementary Technical Terms and Conditions of Contract and Guidelines

for Escavations and Digging-up in Traffic Areas ZTVE-StB 97).