Estudo do comportamento mecânico de solos residuais para emprego em pavimentação

Abstract

A relevância de uma ampla compreensão acerca do comportamento mecânico de materiais para pavimentação, em especial de solos e agregados, já representa uma unanimidade no campo técnico-científico. Esse âmbito de pesquisa, contudo, ainda apresenta uma série de lacunas de conhecimento, em função, essencialmente, da elevada complexidade associada ao modo como se dá o desenvolvimento das deformações elásticas e plásticas frente aos carregamentos impostos pelo tráfego, levando em consideração, ainda, materiais de diversas propriedades e uma vasta gama de variáveis influentes. Ademais, acrescenta-se a intrínseca dificuldade envolvida na reprodução desses mecanismos em laboratório, tendo em conta a imposição de um singular estado de tensões englobando cargas cíclicas. Nesse contexto, a fim de contribuir para um entendimento cada vez mais abrangente e racional nessa área, a pesquisa relatada nesta dissertação teve como objetivo geral o estudo do comportamento mecânico de três solos residuais para emprego em pavimentação, com ênfase na análise das respostas elásticas e plásticas dos materiais a partir de ensaios triaxiais de cargas repetidas. Para isso, desenvolveuse um amplo programa experimental composto por ensaios de módulo de resiliência (MR) e deformação permanente (DP). Os ensaios de DP envolveram ainda a adoção de dois métodos com relação aos carregamentos impostos aos corpos de prova – em estágio único (EU) e multiestágios (ME). Os materiais analisados experimentalmente foram três solos residuais coletados em jazidas estabelecidas em diferentes localidades do Rio Grande do Sul, selecionados buscando-se características distintas quanto aos seus aspectos físicos, geotécnicos e pedológicos, esperando-se, assim, alcançar também uma maior abrangência com relação ao desempenho mecânico. Foram adotadas duas energias de compactação – Normal e Intermediária, definidas considerando a possível utilização dos solos como materiais a compor as camadas de subleito, reforço do subleito ou sub-base. Ainda, lembra-se que ambos os ensaios de MR e DP submetem os materiais a uma ampla gama de níveis de tensões, os quais representaram outra variável controlável fundamental no programa experimental da pesquisa. A partir da metodologia proposta, foi possível, primordialmente, expandir a base de dados acerca do comportamento mecânico de materiais para pavimentação, em especial dos solos residuais, tipicamente encontrados e empregados no Brasil, sendo fundamental como contribuição para a evolução dos métodos mecanístico-empíricos de dimensionamento a nível nacional. Conseguiu-se gerar, por meio dos resultados obtidos nos ensaios de MR e DP-EU, modelos de regressão de expressiva qualidade em termos estatísticos, essenciais na caracterização elástica e plástica dos solos em estudo. Além do mais, corroborou-se a viabilidade da modelagem dos resultados de DP-ME a partir da abordagem do time-hardening, sendo obtidos resultados promissores. O efeito da elevação da energia de compactação foi verificado por meio de diferentes perspectivas, constatando-se uma relevante influência favorável sob ambas as respostas elásticas e plásticas dos materiais, traduzindo-se no aumento de rigidez e na redução de DP acumulada. Por fim, ressalta-se que os três solos residuais demonstraram, sob uma perspectiva essencialmente experimental, um notável desempenho mecânico, tanto com relação à parcela elástica, avaliada a partir do MR, quanto relativo à parcela plástica, refletido em baixos níveis de DP e respostas adequadas quanto ao Shakedown.

The relevance of a broad understanding of the mechanical behavior of pavement materials, especially soils and aggregates, is already unanimous in the technical-scientific field. However, this research area still presents a series of knowledge gaps due, essentially, to the high complexity associated with how the development of elastic and plastic deformations occurs as a result of the traffic loads. It takes into account, also, materials of different properties and a wide range of influencing variables. Furthermore, there is the intrinsic difficulty involved in reproducing these mechanisms in the laboratory, considering the imposition of a particular stress state associated with cyclic loads. In this context, in order to contribute to an increasingly comprehensive and rational understanding of this area, the main objective of this research is to study the mechanical behavior of three residual soils for pavement applications, emphasizing the elastic and plastic responses from repeated load triaxial tests. For this, an extensive experimental program was developed, consisting of resilient modulus (RM) and permanent deformation (PD) tests. The PD tests also involved two methods regarding the loads imposed on the specimens – single-stage (SS) and multi-stage (MS) tests. The materials analyzed experimentally were three residual soils collected in deposits established in different locations in Rio Grande do Sul state. Two levels of compaction energy were adopted – Normal and Intermediate, defined considering the possible use of these soils as materials to compose the subgrade, subgrade reinforcement, or sub-base layers. Also, both RM and PD tests subject the materials to a wide range of stress levels, which represented another fundamental controllable variable in the experimental research program. From the proposed methodology, it was possible, primarily, to expand the database on the mechanical behavior of pavement materials, especially residual soils, typically found and used in Brazil, being fundamental as a contribution to the evolution of national mechanistic-empirical design methods. The results obtained in the RM and PD-SS tests made it possible to generate regression models of expressive quality in statistical terms, essential in the elastic and plastic characterization of the analyzed soils. Furthermore, the feasibility of modeling the PD-MS results using the time-hardening approach was confirmed, obtaining promising results. The effect of increasing the compaction energy was verified through different perspectives, indicating a relevant favorable influence on both the elastic and plastic responses of the materials, translated into an increase in stiffness and a reduction in accumulated plastic deformation. Finally, it is noteworthy that the three residual soils demonstrated, from an essentially experimental perspective, a remarkable mechanical performance, considering both the elastic response, evaluated from the RM results, and the plastic response, reflected in low levels of PD and acceptable behavior regarding Shakedown Theory.