4 capacidade de_suporte_cbr

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  1. 1. Rita Moura Fortes 1/1 4. ÍNDICE DE SUPORTE CALIFÓRNIA (ISC) OU CBR (CALIFÓRNIA) Esse ensaio foi concebido pelo Departamento de Estradas de Rodagem da California (USA) para avaliar a resistência dos solos. No ensaio de CBR, é medida a resistência à penetração de uma amostra saturada compactada segundo o método Proctor. Para essa finalidade, uma pistão com seção transversal de 3 pol2 penetra na amostra à uma velocidade de 0,05 pol/min. O valor da resistência à penetração é computado em porcentagem, sendo que 100% é o valor correspondente à penetração em uma amostra de brita graduada de elevada qualidade que foi adotada como padrão de referência. 4.1 Ensaio de Capacidade de Suporte CBR (Índice de Suporte Califórnia – ISC) O ensaio de suporte Califórnia CBR, California Bearing Ratio, é padronizado no Brasil pela norma ABNT 9895. O ensaio é composto por três etapas: compactação do corpo de prova: são compactados com cinco teores de umidade uma amostra, segundo o método Proctor. Com esta finalidade, o molde grande de bronze ou material tratado (banho eletrolítico ou ferro galvanizado) de diâmetro de 6 polegadas - aproximadamente152 mm é fixado na base perfurada, mostrada na figura 4.1 (a), sendo colocado no fundo do molde um disco espaçador de 63,5 mm de altura, cuja função é de que o solo a ser compactado não ocupe totalmente o molde, promovendo um espaço para posterior colocação da sobrecarga a ser utilizada na determinação da expansão. Coloca-se o colarinho (figura 4.1 (a) e o papel filtro no fundo do molde (figura 4.1 (b)), o molde é apoiado sobre uma base rígida preferencialmente de concreto (massa superior a 100 kg) e o solo compactado em cinco camadas, com o soquete grande, sendo que o número de golpes depende da energia de compactação (normal – 12, intermediária – 26 e modificada – 55 golpes) (vide esquema da figura 4.1 (c) e figura 4.2 (a)). É importante que sempre antes de lançar nova camada se faça a escarificação da camada compactada, de maneira a promover a aderência entre as mesmas. Após a compactação, retira-se o molde da base perfurada, inverte-o retirando o disco espaçador e pesa-o (molde mais o solo) (vide figura 4.2 (b). Determinando-se o teor de umidade é possível obter-se a curva de compactação (γs x h) (figura 4.2 (c). Figura 4.1 (a) Base perfurada, (b) colocação do papel filtro, (c) esquema da compactação. disco espaçador Cinco camadas de solo Soquete grande Molde grande
  2. 2. Rita Moura Fortes 2/2 Figura 4.2 - (a) compactação do corpo de prova, (b) pesagem e (c) curvas típicas de compactação. obtenção da curva de expansão: após a compactação: sobre o corpo de prova dentro do molde cilíndrico, no espaço deixado pelo disco espaçador, é colocado o prato com haste perfurado e sobre este o disco anelar de aço que é dividido em duas partes com aproximadamente 2270 g (10 lbs) (vide figura 4.3 (a) e (b)), sendo que cada parte da carga anular (5 lbs) corresponde a sobrecarga de aproximadamente 2,5 polegadas de pavimento. Sobre a haste do prato perfurado, é apoiada a haste`do relógio comparador fixado no porta-extensômetro, anotando-se a leitura inicial (figura 4.3 (c)). Coloca-se o corpo de prova imerso por 4 dias, medindo-se a expansão (figura 4.4 (a)), que é definida como a relação entre o aumento de altura do corpo de prova (expansão) e a sua altura inicial, expresso em porcentagem . Figura 4.3 (a) Disco anelar de carga (b) e (c) montagem e esquema para determinação da expansão. . Na figura 4.4 está apresentado corpos de prova imersos, sendo que na (c) e (d) tem-se detalhes da medida para determinação da expansão. (b)(a) argila areia γs(g/cm³) h (%) silte (c) Solo compactado Molde cilíndrico Prato perfurado com haste Disco anelar de sobrecarga Relógio comparador Porta-extensômetro
  3. 3. Rita Moura Fortes 3/3 Figura 4.4 – Determinação da expansão. medida da resistência à penetração: Retira-se o corpo de prova da embebição e de sobre ele o prato perfurado com a sobrecarga e deixa escorrer (drenar) por 15 minutos. Após, recoloca-se a sobrecarga e leva-se o corpo de prova à prensa para ser rompido através da penetração do pistão a uma velocidade de 1,27 mm/min. São anotadas as leituras para as penetrações de 0,63; 1,27; 1,90; 2,54; 3,17; 3,81; 4,44; 5,08; 6,35; 7,62; 8,89; 10,16; 11,43 e 12,70 mm, sendo que esta última leitura corresponde ao tempo de 10 minutos. No caso de se utilizar de uma prensa com anel dinamométrico (figura 4.5 (a)), anota-se as leituras do relógio comparador acoplado ao mesmo, em mm, que medem encurtamentos diametrais provenientes da atuação das cargas. e multiplicando-se este valor lido pela “constante do anel”, que é obtida quando da sua calibração (curva da carga aplicada ao anel versus a leitura do relógio comparador), obtém-se o valor da carga, que dividida pela seção transversal do pistão resulta no valor da pressão aplicada. No caso de se utilizar de uma célula de carga, a leitura é direta (figura 4.5 (b) e (c)). A velocidade de penetração do pistão é controlada com o auxílio de um cronômetro e do acompanhamento dos valores da penetração registrados no relógio comparador fixado no pistão e com a haste apoiada no molde (vide esquema da figura 4.5 (d). Com este valores traça-se a curva pressão versus penetração ou carga versus penetração (vide figura 4.6). Figura 4.5 – Prensa do ensaio do CBR. (d)(a) (b) (c) relógio comparador Anel dinamométrico ou célula de carga macaco manivela solo sobrecarga molde pistão
  4. 4. Rita Moura Fortes 4/4 Figura 4.6 - Curva pressão versus penetração – gráfico com correção. A correção da curva apresentada na figura 4.6 é necessária quando ocorre ponto de inflexão, sendo necessário traçar a tangente até sua intersecção com eixo das abcissas, obtendo-se o valor do deslocamento c, sendo que a curva corrigida iniciaria no ponto de intersecção da tangente com o eixo das abcissas. Assim sendo, as leituras P1 e P2, correspondentes respectivamente à penetração de 2,54 mm (0,1” ou 1000 psi) e 5,08 (0,2”ou 1500 psi) deverão ser deslocadas de c, como mostrado na figura 4.6, obtendo-se os valores P1’ e P2’, que são os valores da pressões corrigidas. Este tipo de curva ocorre principalmente quando se utiliza equipamento manual, devido a sensibilidade do operador no início do ensaio em relação a resposta dada pelo solo à aplicação da carga, sendo difícil manter-se a velocidade constante. Hoje já existem disponíveis equipamentos automáticos que mantém a velocidade de aplicação de carga constante e portanto fornecem curvas sem necessidade de correção. Para o cálculo do valor do índice de suporte Califórnia é adotado o maior dos valores obtidos para as pressões lidas (se a curva não apresenta inflexão) ou corrigidas nas penetrações de 2,54 mm e de 5,08 mm. Geralmente o valor correspondente à penetração de 5,08 mm é o maior e caso ocorra o inverso, costuma-se repetir o ensaio para dirimir qualquer dúvida. O valor do CBR é dado pela equação: Os valores correspondentes à pressão padrão para as penetrações de 2,54 e de 5,08 estão na tabela 4.6 e são aquelas obtidas para a amostra de brita graduada de alta qualidade que foi utilizada como padrão de referência e apresenta CBR = 100%. Penetração (mm)5,08 (0,2”) c 2,54 (0,1”) c P1 P1’ c P2 P2’ Pressão (MPa) P1 e P2 Pressões lidas para 2,54 e 5,08 mm P1’ e P2’ Pressões corrigidas para 2,54 e 5,08 mm Pressão calculada (lida) ou pressão corrigida ISC ou CBR = Pressão padrão X 100
  5. 5. Rita Moura Fortes 5/5 Tabela 4.1 – Valores correspondentes à pressão padrão para penetrações de 2,54 e 5,08 mm Penetração (mm) Pressão Padrão (MPa) 2,54 6,90 5,08 10,35 Na figura 4.7 estão apresentados os resultados do ensaio, que deverão ser apresentados em uma única folha: curva de compactação (massa específica aparente seca versus teor de umidade): assinalando-se a massa específica aparente seca máxima e o respectivo teor de umidade (teor de umidade ótimo); curva de expansão versus teor de umidade: destacando-se o valor da expansão correspondente ao teor de umidade ótimo obtido na curva de compactação; curva do CBR ou ISC versus teor de umidade: anotando-se o valor correspondente ao teor de umidade ótimo (obtido na curva de compactação). Figura 4.7 Apresentação dos resultados do ensaio para determinação da capacidade de suporte (ISC ou CBR). Yoder & Witczak recomendam a utilização da fórmula de correlação entre o valor de CBR e o Módulo de elasticidade do material, desenvolvida por Huekelom e Foster onde E = 1500 CBR porém que se faça com muita cautela. Como o ensaio de CBR é largamente utilizado como elemento de dimensionamento de pavimento e, o ensaio “in situ” apresenta grandes dificuldades logísticas, é prática comum a coleta de material da jazida ou da cota na profundidade onde deve ser o topo TEOR DE UMIDADE (%) EXPANSÃO (%) CBR (%) Massa específica aparente máxima = x,xx g/cm3 Teor de umidade ótimo = y, y % CBR = zzz,z % Expansão = k,kk % CBR hot hotimo γs máximo Expansãohot γs (g/cm3 )
  6. 6. Rita Moura Fortes 6/6 da camada de subleito e sem que haja perda do teor de umidade, o material é transportado ao laboratório e o ensaio é conduzido com compactação na energia normal caso se deseje saber a ordem de grandeza do CBR para camada de subleito e, energia intermediária no caso de reforço ou sub-base 4.2 Ensaio de Capacidade de Suporte Mini CBR 4.2.1 Generalidades Esse ensaio, aliado aos ensaios de expansão e contração, gera resultados que possibilitam o dimensionamento de pavimentos e a escolha de solos para reforço do subleito, sub-bases, bases e acostamentos. O ensaio pode ser realizado com ou sem imersão e sobrecarga e dependendo da finalidade para a qual o solo estudado será utilizado, emprega-se energia de compactação “normal”, “intermediária” ou “modificada”. O método de ensaio é normalizado pelo DNER – ME 254/89 e DER/SP – M 192 4.2.2 Execução do ensaio Este ensaio foi desenvolvido na Iowa State University, sendo que o valor obtido foi designado por IBV (Iowa Bearing Value). O mesmo caracteriza-se por utilizar corpos de prova de dimensões reduzidas, com 50 mm de diâmetro, e pistão de penetração de 16 mm de diâmetro. Nogami efetuou adaptações no método de ensaio de Iowa, a fim de poder correlacionar seus resultados com o CBR obtido segundo a norma do DNER. Os motivos que levaram ao desenvolvimento dessa adaptação foram as limitações dos procedimentos tradicionais de previsão do CBR, sobretudo com base nas propriedades índices dos solos (granulometria e limites de Atterberg), e a sugestão do prof. Carlos de Souza Pinto, da EPUSP e IPT. Mais tarde verificou-se que o ensaio Mini CBR permitia uma grande flexibilidade nas variáveis que influenciam o valor de suporte. Assim, é possível se determinar a capacidade de suporte, sem imersão em água, com vários tipos de sobrecarga, com vários teores de umidade e energias de compactação, com lâmina d’água na ocasião da penetração do pistão, etc. Com essas variações, foi possível se caracterizar melhor as peculiaridades dos solos tropicais, sem contudo aumentar, proibitivamente, a quantidade da amostra necessária, o esforço físico para a execução dos ensaios e o seu custo. Muitas das peculiaridades dos solos tropicais, penosamente determinadas com uso do CBR tradicional, foram facilmente confirmadas com o uso do Mini CBR. Observe-se que o Mini CBR pode ser determinado utilizando-se corpos de prova compactados segundo o procedimento Mini MCV, de amostras indeformadas (tanto de solos naturais como compactados) e, inclusive, através de ensaios “in situ” (ou de campo). Uma correlação do Mini CBR com o CBR foi desenvolvida empiricamente por Nogami em 1972, considerando os solos mais típicos do Estado de São Paulo e a condição de teor de umidade ótima e massa específica aparente máxima da energia normal. Em 1987, verificou-se, no Laboratório de Tecnologia de Pavimentação da EPUSP, que essa correlação poderia ser substituída pelo uso da carga padrão. Para o Mini CBR, utilizam-se as mesmas cargas padrões adotadas para o CBR tradicional (72,6 e 108,9 kgf/cm2, respectivamente para penetrações de 2,54 e 5,08mm. Devido à menor dimensão do pistão do Mini CBR, contudo, essas cargas devem corresponder a 1/3 dessas penetrações, isto é, respectivamente 0,84 e 1,7 mm.
  7. 7. Rita Moura Fortes 7/7 Analogamente ao procedimento CBR tradicional, constitui rotina a determinação da expansão, nos corpos de prova submetidos à imersão em água. O procedimento adotado no caso do ensaio Mini CBR é similar ao tradicional, menos o tempo de imersão, que é reduzido para 20 horas, e outras adaptações decorrentes do uso de corpos de prova de pequenas dimensões. A figura 4.8 ilustra a penetração do corpo de prova. Figura 4.8 – Penetração do ensaio mini CBR. O ensaio Mini CBR apresenta uma dispersão menor de valores de capacidade de suporte em relação ao ensaio convencional. A capacidade de suporte dos solos pode ser aferida “in situ” através do penetrômetro Sul-Africano e da utilização de equipamentos portáteis acoplados a veículos (prensa Mini CBR). Os resultados “in situ” apresentam valores de capacidade de suporte superiores aos obtidos nos corpos de prova moldados na umidade ótima em laboratório. Este fato reforça a constatação de que as bases e camadas do substrato, em ambientes tropicais, trabalham numa umidade inferior à umidade ótima de compactação. .

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