Uso de georadar (GPR) e retroanálises de deflexões como suporte a análises probabilísticas de desempenho de pavimentos

Abstract

Neste trabalho o equipamento de Georadar ou radar de penetração de subsolo (GPR) é apresentado como um recurso para a investigação indireta das espessuras das camadas da estrutura de pavimentos flexíveis e rígidos. O GPR, após calibração com os procedimentos destrutivos tradicionais, oferece a método não destrutivo de visualização em subsuperfície das camadas da estrutura do pavimento, com rapidez na aquisição de dados, no processamento e na interpretação. O GPR foi aplicado a duas pistas experimentais de pavimentos rodoviários flexíveis, uma em Campo Verde (PECV) e outra em Cuiabá (PAA), Mato Grosso. O método também foi empregado em pavimentos rígidos, um na rodovia BR-101/NE e outro no pátio do aeroporto Santos Dumont (RJ). O trabalho realizado com esse método geofísico apontou grande variabilidade dos valores das espessuras das camadas de todos os pavimentos analisados. Os valores médios foram inseridos em um programa computacional, o Kenlayer, e forneceram informações sobre os módulos de resiliência das camadas constituintes dos pavimentos flexíveis, após um processo de retroanálise. Neste, o usuário busca iterativamente os parâmetros (módulos, neste caso) até fazer coincidir as bacias de deflexões superficiais teóricas com as de deflexões medidas com uma viga Benkelman. De posse das espessuras, obtidas com o GPR, e dos módulos de resiliência dos materiais obtidos na retroanálise, o programa Kenlayer é usado novamente para obter a deformação de tração na fibra inferior da camada de revestimento e a deformação de compressão no topo do subleito. Estas deformações são utilizadas, a posteriori, nas equações de desempenho prescritas pelo Asphalt Institute, que permitem estimar o número de passadas críticas para o consumo de fadiga do revestimento asfáltico e para as deformações permanentes do subleito. A resposta do pavimento calculada pelo programa Kenlayer fornece um valor determinístico de deformações, baseado na Teoria da Elasticidade para múltiplas camadas, a partir dos valores médios das espessuras e dos módulos. Entretanto, estas variáveis apresentam forte dispersão, o que justifica o uso de uma análise probabilística. Neste trabalho optou-se pela aplicação do Método FOSM, uma vez que este permite uma análise de sensibilidade de modo a verificar quais fatores têm maior influência na estimativa das grandezas de deformações e número de passadas permitidas nas camadas de revestimento e subleito. A investigação com GPR no pavimento rígido da BR-101/NE permitiu identificar a instalação inadequada das barras de ligação, indispensáveis para a estabilidade das placas. Verificou-se que, em apenas 5% das placas as barras de ligação estavam instaladas em número compatível com o seu projeto. As investigações com GPR foram ainda fundamentais para obtenção dos valores médios e das variâncias das espessuras das camadas dos quatro pavimentos investigados. Aliando-se estas informações às médias e variâncias dos módulos de resiliência obtidos nas retroanálises, foi possível inferir que o parâmetro mais relevante para a variância da deformação de tração no revestimento, e consequentemente na vida de fadiga desta camada, foi o módulo de resiliência da camada de base. As análises com o método FOSM permitiram ainda identificar que a variável mais relevante para as deformações de compressão no topo do subleito é a espessura da camada de base, seguida do módulo de resiliência do próprio subleito. Os resultados aqui obtidos apontam inequivocamente para a necessidade de maior controle construtivo com relação às espessuras das camadas do pavimento e, principalmente para o controle de compactação rigoroso de modo a obter os módulos de rigidez adequados ao projeto. Como alternativa ou complementação ao controle topográfico, o uso de GPR se mostrou extremamente eficiente na identificação das espessuras das camadas, quando há diferenças claras entre os materiais, como no caso de pavimentos rígidos. Entretanto, para pavimentos flexíveis que usam materiais granulares de origem semelhante, a identificação não é tão clara e só foi possível com a introdução de refletores metálicos nas interfaces das camadas durante o processo construtivo. O uso de análise probabilística com o método FOSM também s e mostrou bastante promissor, mas deve-se atentar para outras v ariáveis aleatórias relativas a o ambiente e ao tráfego, bem como a necessidade de melhor es modelos de desempenho que incorporem a influência destes fatores. ___________________________________________________________________________________ ABSTRACT

The Ground Penetrating Radar (GPR) or Georadar is used in this thesis as an indirect surveillance tool to determine the thickness of layers of flexible and rigid pavements. After na adequate calibration using traditional trench opening procedures, the GPR provides a nondestructive means to obtain subsurface data, which can be swiftly processed and interpreted. GPR was applied to survey two experimental flexible pavement segments; one in Campo Verde (PECV), and the other in Cuiabá (PAA), both in Mato Grosso State, Brazil. The GPR was also applied to rigid pavements in the Federal Highway BR-101 (NE) and at the airplane parking area of Santos Dumont airport (RJ). The results show high variance of the thicknesses of layers for all pavements analyzed. The mean thickness values were used as input for a computational code, named Kenlayer, which can be used to estimate the moduli of resilience of each layer, with the aid of a back analyses procedure. In this case, the user must interactively search for the set of layer moduli which yields analytical surface deflections that best fit the experimental deflections obtained in field using the Benkelman beam method. After acquisition of the layers' thicknesses using the GPR and the estimates of moduli using the back analysis with Kenlayer, this program is run once more to determine the values of the maximum tensile strain acting in the lower fiber of the asphalt course layer and the maximum value of compressive strain acting at the top of the subgrade layer. These strains values are used, a posteriori, to estimate the critical number of passes of an equivalent single axis load that leads to fatigue failure of the surface course and excessive permanent deformation of the subgrade, using performance models proposed by the Asphalt Institute. The mechanist pavement analyses using Kenlayer give deterministic values of strains, based on the Theory of Elasticity for multiple layers. The analyses take as input the traffic load and the mean values of layer thickness and moduli; however these variables show high dispersion what justifies the use of probabilistic methods. Here the author chose to use the FOSM (First Order Second Moment) method, because it provides a means of sensitivity analyses to investigate which independent variables has greater influence on the output values of strains and critical number of load passes. The field surveillance using GPR along highway BR-101/NE clearly indicated the inadequate installation of the dowel bars in the rigid Portland concrete plates. It was verified that only 5% of the plates had the bars installed according to the design recommendations. Furthermore the GPR data was very important to determine the as built thicknesses of the pavement layers. The FOSM analysis using the information of mean values of thicknesses and their variance, together with the mean values and variance of the moduli, allowed to determine that the value of the modulus of resilience of the base layer was the most relevant single parameter for the determination of the tensile strain, and therefore the fatigue life of the surface course, in all cases investigated. The FOSM analysis also identified the modulus of resilience of the subgrade, as the most relevant parameter for the accumulated permanent strain of this layer. The results presented in this thesis unequivocally demonstrate the importance of a rigorous control of the constructive process of the pavement structure, mainly with respect to the topographical control of the layer thicknesses and a more rigid control of the compaction procedure, which ultimately determine the moduli of the constructed layers. The GPR could effectively determine the thicknesses of the layers of rigid pavements, due to the great difference in their electrical properties. However, this identification is not clear in the case of granular materials with similar properties, such as used in the case of the flexible pavements analyzed, but the identification was possible with the introduction of metallic reflectors in the interface of the layers during construction. Finally the use of probabilistic analyses using FOSM was effective, but attention must be paid to other random variables such as climate and traffic load, and better performance models should be investigated to include the effect of these factors in the ultimate life of the pavement.