Efeito da variação de umidade e sucção no comportamento mecânico e em simulações de desempenho de dois solos utilizados em pavimentos rodoviários

Abstract

Para que um pavimento consiga desempenhar sua função corretamente, o seu dimensionamento deve ser eficaz e considerar todos os fatores que afetam o seu desempenho. Entre os principais fatores destacam-se mudanças climáticas e ambientais às quais o pavimento ficará exposto, sendo a variação de umidade um aspecto que merece atenção, pois pode afetar a resistência e a deformabilidade dos materiais. Assim, torna-se importante avaliar o comportamento de solos utilizados em pavimentos na sua condição não saturada. Neste contexto, o objetivo principal da tese foi avaliar o efeito da variação de umidade no comportamento de dois solos utilizados em sub-bases e reforços de subleito de pavimentos, com ênfase na influência da sucção nas respostas elásticas e plásticas, a partir de ensaios laboratoriais e análises de desempenho. Para isso desenvolveu-se um amplo programa experimental dividindo a pesquisa em duas etapas: análise laboratorial e previsão de desempenho. Em laboratório, foram realizados ensaios de caracterização dos solos, ensaios químicos e mineralógicos, além da obtenção de curvas características e ensaios de módulo de resiliência (MR) e deformação permanente (DP), adotando as energias de compactação normal e intermediária. Foram adotadas as variações de umidade de compactação de +1% e -2% em relação ao teor ótimo, para os ensaios de MR e DP. Adicionalmente, foram realizados ensaios de DP, na energia Intermediária, com variação de umidade na pós-compactação, simulando ciclos de umedecimento e secagem. Para a previsão de desempenho utilizaram-se os softwares MeDiNa e AASHTOWare considerando a variação de umidade em camadas de sub-base e reforço de subleito de pavimentos. De modo geral, o aumento da energia de compactação resultou em aumento na resistência à deformação, tanto nos ensaios de MR como de DP, independente da variação de umidade. Através das curvas características e de suas respectivas histereses foi possível correlacionar a sucção com os parâmetros avaliados, compreendendo que é possível obter sucções diferentes para um mesmo teor de umidade, a depender das características do próprio material. Quanto maior for a sucção matricial, maior é o MR e maior é a sua resistência a deformações plásticas, fato observado para os dois solos. Foram propostos modelos de previsão de MR e DP que consideram além da sucção, a variação de umidade, tanto no ramo úmido, como no ramo seco, em relação à umidade de compactação. Com relação à previsão de desempenho de pavimentos, foi prevista uma redução com as oscilações de umidade, mais evidente nas análises relacionadas aos ciclos de umedecimento e secagem e ao excesso de umidade nos solos. Associado a isso, há influência direta na redução de serventia do pavimento com o aumento do volume de tráfego e da carga por eixo. De fato, as variações de umidade na compactação e na pós-compactação demonstraram que podem reduzir significativamente a capacidade estrutural desses, considerando estes solos e as condições impostas. Entende-se que a presente tese contribui para um melhor entendimento do comportamento de solos utilizados em pavimentos e suscita o aprofundamento da discussão sobre o efeito da variação de umidade e sucção no desempenho dos mesmos quando empregados em pavimentos.

For a pavement to be able to perform its function correctly, its design must be effective and consider all the factors that affect its performance. Among the main factors, climatic and environmental changes to which the pavement will be exposed stand out, with the variation in humidity being an aspect that deserves attention, as it can affect the strength and deformability of the materials. Thus, it becomes important to evaluate the behavior of soils used in pavements in their unsaturated condition. In this context, the main objective of the thesis was to evaluate the effect of moisture variation on the behavior of two soils used in sub-bases and subgrade reinforcements of pavements, with emphasis on the influence of suction on elastic and plastic responses, based on laboratory tests and performance analysis. For this, a broad experimental program was developed, dividing the research into two stages: laboratory analysis and performance prediction. In the laboratory, soil characterization tests, chemical and mineralogical tests were carried out, in addition to obtaining characteristic curves and resilience modulus (MR) and permanent deformation (DP) tests, adopting normal and intermediate compaction energies. Compaction moisture variations of +1% and -2% in relation to the optimum content were adopted for the MR and DP tests. Additionally, DP tests were carried out, at Intermediate energy, with post-compaction moisture variation, simulating wetting and drying cycles. For the performance prediction, the MeDiNa and AASHTOWare softwares were used, considering the variation of humidity in sub-base layers and pavement sub-grade reinforcement. In general, the increase in compaction energy resulted in an increase in resistance to deformation, both in MR and DP tests, independent of moisture variation. Through the characteristic curves and their respective hysteresis, it was possible to correlate the suction with the evaluated parameters, understanding that it is possible to obtain different suctions for the same moisture content, depending on the characteristics of the material itself. The greater the matricial suction, the greater the MR and the greater its resistance to plastic deformations, a fact observed for both soils. MR and DP prediction models were proposed that consider, in addition to suction, the variation in moisture, both in the wet branch and in the dry branch, in relation to compaction moisture. Regarding the prediction of pavement performance, a reduction was predicted with oscillations in humidity, more evident in the analyzes related to wetting and drying cycles and excess moisture in the soils. Associated with this, there is a direct influence on the reduction of pavement usefulness with the increase in traffic volume and axle load. In fact, moisture variations in compaction and post-compaction demonstrated that they can significantly reduce their structural capacity, considering these soils and the imposed conditions. It is understood that this thesis contributes to a better understanding of the behavior of soils used in pavements and raises the deepening of the discussion on the effect of variation in humidity and suction on their performance when used in pavements.