Estudo de deformações permanentes em solos e agregados por meio de ensaios acelerados de pavimentos

Abstract

Nessa tese, objetivou-se estudar o comportamento das deformações permanentes (DP) de solos e materiais granulares constituintes de camadas de base e sub-base de pavimentos asfálticos delgados. A pesquisa foi motivada pela necessidade de previsão das DP geradas em camadas de base e sub-base, no contexto de dimensionamento racional de pavimentos, bem como analisar fatores que influenciam esse comportamento. O estudo foi realizado empregando-se a técnica de ensaios acelerados de pavimentos com simulador de tráfego. Para isso, cinco pavimentos experimentais foram construídos no Laboratório de Pavimentação da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. As estruturas foram compostas por uma camada de microrrevestimento asfáltico, base de Brita Graduada Simples (BGS) com 15 cm de espessura e sub-bases de solos ou BGS, também com 15 cm de espessura. Esses materiais são característicos do sul do Brasil, sendo dois solos argilosos (um Latossolo e um Argissolo), dois solos saprolíticos (Saibro de basalto e Solo Residual de Arenito) e uma BGS de granito. Os pavimentos foram construídos sobre uma camada de reforço de subleito argiloso de 60 cm sobrejacente ao terreno natural. Nos ensaios acelerados foram avaliados: a) a influência do tipo de solo (argiloso ou granular) de sub-base nas DP; b) o efeito da carga de eixo nos afundamentos; e c) as deformações resultantes do tráfego aplicado em um e em dois sentidos (vai-e-vem). Complementarmente, foram analisadas as causas para a ruptura catastrófica de um dos pavimentos, que sofreu deformações muito elevadas com poucos ciclos de carga. Para uma melhor compreensão dos resultados obtidos nos ensaios acelerados, foram realizados ensaios complementares de laboratório, avaliando-se o desenvolvimento das DP nos materiais em condições que replicassem o estado de tensões no campo. Globalmente, concluiu-se que o tipo de solo da sub-base, a magnitude e a forma de aplicação da carga afetam significativamente as deformações permanentes desenvolvidas. Os pavimentos com sub-base de solos argilosos experimentaram as maiores deformações, observando-se que na estrutura com sub-base de Latossolo o aumento da carga de semi-eixo de 5,5 tf para 6,5 tf causou a mudança do comportamento da condição de acomodação das deformações para um comportamento de colapso incremental. No mesmo pavimento, a avaliação post-mortem mostrou que na trilha solicitada pela menor carga as DP se concentraram na base granular, enquanto na trilha trafegada pela carga mais elevada tanto a base quanto a sub-base apresentaram deformações elevadas. As altas deformações registradas em alguns pavimentos geraram trincamento superficial, propiciando a penetração de água e acelerando a degradação. Em um dos pavimentos, a aplicação de duas formas de carregamento resultou em maiores afundamentos quando a carga foi aplicada em dois sentidos (vai-e-vem). O desenvolvimento da pesquisa gerou dados para alimentar modelos de deformação permanente no dimensionamento racional de pavimentos e elucidou fatores que afetam o comportamento de solos e materiais granulares empregados em camadas inferiores de pavimentos.

In this thesis, the objective was to study the behavior of permanent deformations (PD) in soils and granular materials composing the base and sub-base layers of thin asphalt pavements. The research was motivated by the need to predict the PD generated in base and sub-base layers, within the context of rational pavement design, as well as to analyze the factors that influence this behavior. The study was conducted using accelerated pavement testing, with a heavy traffic simulator. Therefore, five experimental pavements were constructed at the Pavement Laboratory of the Federal University of Rio Grande do Sul. The pavement structures consisted of a layer of microsurface treatment, a base layer composed on an unbound granular material (UGM) with 15 cm thickness, and sub-base layers of different soils as well as UGM, also with 15 cm thickness. These materials are typical of the southern region of Brazil, including two clayey soils (an oxisol and an ultisol), two saprolitic soils (Basaltic Gravel and Residual Sandstone Soil), and a granite UGM. The pavements were built over a 60 cm thick subgrade reinforcement layer of clayey soil overlying the natural terrain. During the accelerated testing, the following factors were assessed: a) the influence of sub-base soil type (clayey or granular) on the PD; b) the effect of axle load on rutting; and c) the deformations resulting from traffic applied in one-way and two-way directions. Additionally, the causes of the catastrophic failure of one of the pavements, which exhibited excessive deformations with a few loading cycles, were analyzed. To better understand the results obtained from the accelerated tests, supplementary laboratory tests were conducted to evaluate the development of PD in the materials under conditions replicating field stress states. Overall, it was concluded that the type of sub-base soil and the magnitude and the manner in which the load is applied significantly affect the permanent deformations developed. Pavements with clayey soil sub-bases experienced the highest deformations, and it was observed that in the structure with oxisol subbase, increasing the semi-axle load from 5.5 tf to 6.5 tons caused a transition from a shakedown behavior to an incremental collapse behavior. In the same pavement, post-mortem analysis revealed that in the lane subjected to the lower load, PD concentrated in the granular base, while in the track subjected to the higher load, both the base and sub-base exhibited significant deformations. The high deformations recorded in some pavements led to surface cracking, facilitating water penetration and accelerating degradation. In one of the tested pavements, where two types of loading were applied, bidirectional loading resulted in greater rutting in comparison with unidirectional loading. The development of this research generated data to support permanent deformation models in rational pavement design and clarified factors influencing the behavior of soils and granular materials used in lower pavement layers.