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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

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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

areiaγs(g/cm³)

h (%)

silte

(c)

Solo compactado

Molde cilíndrico

Prato perfurado com haste

Disco anelar de sobrecarga

Relógio comparador

Porta-extensômetro

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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

������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������

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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

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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)

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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.

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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. .