ESTIMAÇÃO E MAPEAMENTO DO COMPORTAMENTO
MECÂNICO DOS SOLOS NO ESTADO DO CEARÁ
COMO APOIO AO DIMENSIONAMENTO MECANÍSTICOEMPÍRICO DE PAVIMENTOS
Antonio Júnior Alves Ribeiro
Carlos Augusto Uchôa da Silva
Suelly Helena de Araújo Barroso
ESTIMAÇÃO E MAPEAMENTO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS
SOLOS NO ESTADO DO CEARÁ COMO APOIO AO DIMENSIONAMENTO
MECANÍSTICO-EMPÍRICO DE PAVIMENTOS
Antonio Júnior Alves Ribeiro ([email protected])
Carlos Augusto Uchôa da Silva (orientador) ([email protected])
Suelly Helena de Araújo Barroso (coorientadora) ([email protected])
Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Transportes/Universidade Federal do Ceará
RESUMO
A modelagem e a cartografia geotécnica podem apoiar o desenvolvimento de projetos de infraestrutura de
transportes, bem como estimar características/atributos dos solos para pavimentação. No estado do Ceará existe
uma dificuldade crescente de se encontrar materiais geotecnicamente adequados para aplicação na construção de
rodovias. A obtenção de informações geotécnicas de solos (classificação da AASHTO, CBR e MR) implica em
elevados custos econômicos. Assim, esta tese propõe-se a gerar modelos de estimativas de localização e do
potencial uso de solos com fins de pavimentação, a partir de inteligência artificial, Geoprocessamento, dados
secundários, variáveis ambientais e ensaios de laboratório. A partir desse estudo poderão ser extraídos modelos
de comportamento resilientes de solos a serem integrados ao novo método de dimensionamento mecanísticoempírico para o estado do Ceará. Após a criação de estimativas será criado um banco de dados geotécnico,
gerando-se mapas temáticos de aptidão mecânica dos solos à pavimentação (CBR e MR).
1 INTRODUÇÃO
No Brasil os métodos de dimensionamentos de pavimentos adotados são empíricos, baseados
em informações geotécnicas mecânicas obtidas em ensaios laboratoriais de cargas estáticas,
sendo o CBR (California Bearing Ratio) o principal ensaio adotado para essa finalidade e o
método de dimensionamento vigente é o proposto por Souza (1979). Contudo, evidencia-se
que o CBR não representa de maneira adequada a natureza das cargas aplicadas nos
pavimentos. Essas cargas são dinâmicas e possuem ciclos de carregamento que variam com a
velocidade com que se deslocam na rodovia.
Dessa forma, surgiu a necessidade da adoção de ensaios que representem mais
adequadamente a realidade das cargas que atuam nas estradas brasileiras. Internacionalmente,
os métodos de dimensionamento empírico-mecanísticos de pavimentos flexíveis, como por
exemplo, o Guide For Mechanistic – Empirical Design of New Rehabilitated Pavement
Structures (NCHRP 1-37A, 2004), utilizam o Módulo de Resiliência (MR) para
caracterização mecânica dos materiais das camadas dos pavimentos e do subleito, sobretudo
dos solos que geralmente compõem a maior parte da estrutura.
O Módulo de Resiliência é determinado a partir dos ensaios triaxiais de carga repetida, sendo
definido como a razão entre a tensão desvio e a deformação elástica recuperável, ou resiliente.
Os processos sofridos pelos solos quando submetidos à aplicação de carregamentos de
qualquer natureza são bastante complexos, suas respostas a esses carregamentos dependem de
um conjunto de fatores relacionados à mecânica, a gênese e a física dos solos. Dentre esses
fatores, podem-se citar: as condições de carregamento e estado de tensão; fatores de formação
solo, relacionada à origem; composição e estrutura; o estado físico do solo; além das
condições ambientais e paleoambientais que influenciaram no seu desenvolvimento ao longo
dos anos geológico-pedológicos.
Os ensaios triaxiais de carga repetida ou cíclica são executados em corpos de prova moldados
na umidade ótima de compactação. Com base nesses resultados são definidos os modelos de
comportamento resiliente utilizados nos programas de cálculo de tensões e deformações
necessários para realização de um dimensionamento mecanístico-empírico.
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Em comparação com os ensaios tradicionalmente executados para projetos de pavimentação,
o MR é de execução mais complexa, tanto no que refere aos recursos humanos quanto ao
equipamento utilizado. Enquanto que os ensaios tradicionais podem ser executados em
laboratórios rudimentares, dotados apenas de equipamentos básicos e instalados em regiões
remotas, as câmaras destinadas ao ensaio triaxial de cargas repetidas consistem de um aparato
relativamente sofisticado, o que dificulta, ou mesmo inviabiliza, o seu deslocamento e a sua
utilização fora de locais devidamente adaptados. A isto se somam os problemas relativos à
necessidade da realização de vários outros ensaios para garantir uma melhor caracterização
mecânica do material. Os fatores já citados são determinantes para que a obtenção dos valores
de MR ainda não seja uma prática amplamente difundida e executada usualmente nos
laboratórios de pavimentação do Brasil, fato esse que concorre para uma baixa aplicação dos
métodos de dimensionamento mecanístico-empírico.
Assim, a caracterização do comportamento mecânico de solos se torna restrita. Além disso, os
elevados custos financeiros dos projetos rodoviários, bem como a restrição dos recursos
destinados a caracterização e controle de qualidade dos materiais empregados nas camadas e
nas fundações dos pavimentos, tem motivado diversos pesquisadores a buscar correlações
confiáveis do módulo de resiliência com outras propriedades geotécnicas dos solos, na
tentativa de que através dessas propriedades (variáveis explicativas), obtenha-se de forma
mais fácil e rápida o MR, para uso em projetos viários.
Os principais trabalhos encontrados na literatura que modelaram o comportamento resiliente
de solos a partir de outras características geotécnicas foram: Rodgher (2002), Sukumaran et.
al., (2002), Zeghal e Khogali (2005), Masada et. al., (2006), Viana (2007), Ferreira (2008) e
Soliman et. al., (2010). Os autores citados utilizaram diversas técnicas de modelagem
matemática para criação dos seus modelos de comportamentos resilientes. Outros autores
desenvolveram modelos de previsão do comportamento geotécnico de outras características
mecânicas e texturais, podem-se citar os trabalhos de: Cal (1995), Shahin et. al., (2001),
Juang e Lu (2002), Yang e Rosenbaum (2002), Taskiran (2010), Yildirim e Gunaydin (2011),
Johari et al., (2011) e Ribeiro et. al., (2012).
A maioria dos autores supracitados, quando da criação de seus modelos, utilizou informações
obtidas em ensaios de laboratório e se dedicaram apenas a modelagem em si, sem a
preocupação de criar meios para realização do mapeamento das informações geotécnicas
previstas por seus respectivos modelos. A exceção é o trabalho de Ribeiro et. al., (2012) que
mapeou a região estudada com as estimativas geradas por seu modelo.
A partir dessas constatações na literatura consultada, a tese de doutorado visa contribuir para
o estudo do comportamento mecânico dos solos, gerando estimativas de MR para uma região
de estudos, a fim de apoiar dimensionamentos mecanísticos-empírico de pavimentos flexíveis.
Para isso, pretende-se utilizar técnicas de modelagem computacional que permitam a
obtenção de estimativas do MR com a finalidade de reduzir-se os custos de coleta e tempo de
execução dos ensaios triaxiais de cargas repetidas. Buscar-se-á obter variáveis que possuam
um maior poder explicativo do comportamento resiliente de solos, nesse caso, tanto através de
dados secundários quanto dados primários (ensaios de laboratório).
2 MATERIAIS E MÉTODOS
A metodologia adotada para elaboração desta investigação está descrita nos tópicos de (a) a
(k).
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(a) Revisão da Literatura – Estão sendo realizadas pesquisas sobre modelagem geotécnica,
técnicas emergentes de modelagem, Geotecnia aplicada à pavimentação, Geotecnologias.
(b) Definição da Área de Estudo - Para definição da área de estudo, estão sendo realizadas
análises espaciais pata obter uma porção do estado do Ceará que englobe, senão todos, pelo
menos a maioria dos tipos de solos que ocorrem no estado.
(c) Pesquisa e Aquisição dos Dados - Com a finalidade de obtenção dos dados necessários
(base cartográfica, informações biofísicas e geotécnicas), foram realizadas pesquisas junto às
instituições e empresas detentoras de informações do meio físico da região de estudos, além
de trabalhos acadêmicos com informações dessa área.
(d) Definição do Esforço Amostral - Após a definição da área de estudo serão realizadas
novamente análises espaciais e geoestatísticas para definir a quantidade de pontos, bem como
sua espacialização, necessárias para trazer uma maior representatividade da área.
(e) Execução do Programa Experimental – Para obtenção dos dados para modelagem e
predição de parâmetros relacionados ao MR, serão realizados os ensaios de massa específica
dos sólidos, granulometria, limite de liquidez, limite de plasticidade, equivalente de areia,
Proctor na energia normal e intermediária, CBR na energia normal e intermediária e MR,
além de outros que forem julgados necessários à pesquisa.
(f) Construção do Banco de Dados Georreferenciado - Após a conclusão do Programa
Experimental, os resultados dos ensaios serão organizados em um banco de dados
georreferenciado, onde às Coordenadas UTM em Sistema de Referência SIRGAS 2000 - Fuso
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(g) Pré-processamento dos Dados - Nesta etapa os dados georreferenciados serão submetidos
a um pré-processamento para se adequar às restrições impostas pela técnica de modelagem.
(h) Tratamento de Dados - Nesta etapa será realizada uma análise estatística de correlação dos
elementos do banco de dados georreferenciado com os parâmetros obtidos no ensaio de MR
(k1, k2, k3, σd, σ3, σ1+σ2+σ3, σoct, etc) que tem por finalidade filtrar as variáveis, isoladas ou em
conjunto que tendo maior poder explicativo, devem ser usadas para a geração de estimativas
do Módulo de Resiliência de solos no estado do Ceará.
(i) Modelagem Preditiva do MR – Os parâmetros do Módulo de Resiliência devem ser
estimados por meio de técnicas de modelagem emergentes. Nesta etapa serão testadas
diversas técnicas capazes de correlacionar variáveis explicativas às variáveis explicadas e
prevê-las com um menor nível de incerteza possível para um ou vários modelos de MR. Serão
utilizadas as variáveis explicativas que apresentarem maior coeficiente de correlação com as
variáveis explicadas. A técnica escolhida será aquela que apresentar menor erro na predição,
medido por meio de indicadores de acertos. Após a escolha da técnica de modelagem e das
variáveis será realizada uma bateria de testes para encontrar os melhores modelos de previsão
de parâmetros do Módulo de Resiliência para o estado do Ceará.
(j) Mapeamento das Estimativas de MR - A partir do melhor modelo de predição do Módulo
de Resiliência, serão estudadas formas de generalizar a modelagem se solos naturais para toda
área de estudo, e serão produzidos mapas temáticos que ajudem na compreensão e localização
do comportamento mecânico dos solos da região estudada.
(k) Disponibilização do Mapeamento e do Gerador de Estimativas de MR - Na última etapa
será desenvolvido um aplicativo SIG-WEB, onde todas as informações obtidas pelos
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modelos, bem como todas as informações usadas para geração desses, serão disponibilizadas
em formatos georreferenciados para facilitar o futuro uso dos dados.
3 RESULTADOS ESPERADOS
A idéia principal desta pesquisa é desenvolver uma metodologia para estimação e
mapeamento do comportamento mecânico dos solos no estado do Ceará, de maneira a facilitar
o uso das informações geotécnicas (parâmetros do módulo de resiliência) dos solos aplicados
em métodos de dimensionamentos de pavimentos mecanístico-empírico no estado.
Espera-se ao final deste trabalho gerar modelos de estimação dos parâmetros do MR para
solos no estado do Ceará, a partir de dados geotécnicos de fácil obtenção em laboratório e em
campo. Adicionalmente, serão gerados mapas temáticos contendo as informações geotécnicas
geradas a partir dos modelos de toda área de estudo. Esses mapas deverão ser disponibilizados
em Sistema de Informações Geográficas Web de livre acesso. Pretende-se ainda adotar a
metodologia para contribuir com a geração dos modelos de comportamento mecânico dos
solos do estado do Ceará no novo método de dimensionamento mecanístico-empírico de
pavimentos brasileiro.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à Fundação Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Estado
do Ceará pela bolsa de doutorado concedida.
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