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SNP38D53 – Técnicas de Melhoramento de Solos
Compactação de solos
Prof.: Flavio A. Crispim (FACET/SNP-UNEMAT)
UNIVERSIDADE DO ESTADO DEMATO GROSSO
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
SINOP - MT2015
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Prof. Flavio A. Crispim
Técnicas de melhoramento
Tec. de Melhoramento de Solos
Melhoramento x Estabilização
Melhoramento
Modificação da plasticidade e sensibilidade à água
Estabilização
Há aumento expressivo na resistência mecânica do solo
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Prof. Flavio A. Crispim
Técnicas de melhoramento
Técnicas
Física
Térmica
Eletrocinética
Mecânica
Compactação
Substituição dematerial
Química
Adição de aditivosquímicos (cal,
cimento,betume...)
Tec. de Melhoramento de Solos 3
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Técnicas de melhoramento
Técnicas
Física
Térmica
Eletrocinética
Mecânica
Compactação
Substituição dematerial
Química
Adição de aditivosquímicos (cal,
cimento,betume...)
Tec. de Melhoramento de Solos 4
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Compactação
Na construção de aterros para estradas, barragens e outras estruturas
os solos devem ser compactados para melhorar suas propriedades
A compactação aumenta a resistência dos solos
O solo compactado está menos sujeito a recalques (menor
compressibilidade)
A permeabilidade dos solos é reduzida com a compactação
Tec. de Melhoramento de Solos 5
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Compactação
Provavelmente a compactação de solos seja utilizada desde tempos
remotos
Século XX - ocorre a padronização da técnica de compactação
Destacam-se os trabalhos:
O. J. Porter - Departamento Rodoviário da Califórnia (EUA)
Ralph R. Proctor - década de 1930, (EUA)
Tec. de Melhoramento de Solos 6
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Compactação
Tec. de Melhoramento de Solos 7
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Compactação
Tec. de Melhoramento de Solos 8
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Compactação
Tec. de Melhoramento de Solos 9
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Compactação
Tec. de Melhoramento de Solos 10
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Compactação
Tec. de Melhoramento de Solos 11
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Compactação
Tec. de Melhoramento de Solos 12
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Compactação
Tec. de Melhoramento de Solos 13
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Compactação
Conceito
O processo de compactação de um solo pode ser definido,
basicamente, como a redução de seu índice de vazios, sob ação de
uma força mecânica
Há reacomodação da sua fase sólida e variação na sua fase gasosa,
mas sem perda da fase líquida
compactação consolidação (adensamento)
Tec. de Melhoramento de Solos 14
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Compactação
Conceito
Tec. de Melhoramento de Solos 15
Gasosa
Líquida
Sólida
Gasosa
Líquida
Sólida
Esforço de compactação
Antes da compactação Após a compactação
Variação de volume
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Compactação
Objetivo
Tec. de Melhoramento de Solos 16
f (e)
Resistência
Deformabilidade
Permeabilidade
e Resistência Deformabilidade
Permeabilidade
ProjetoDefinir e necessário (laboratório)
Controle de compactação no campo
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Compactação
Solos coesivos
A condição tida como ideal para a compactação de um solo é o ponto
definido pelos parâmetros peso específico seco máximo (γd max) e teor
de umidade ótimo (wot)
Tec. de Melhoramento de Solos 17
wot w (%)
γd
γd max
Ramoseco
Ramoúmido
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Compactação
Solos coesivos
Tec. de Melhoramento de Solos 18
w (%)
γd
Ramoseco
Ramoúmido
A compactaçãotem pouco ounenhum efeito
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Compactação
Solos coesivos
Tec. de Melhoramento de Solos 19
Teor de umidade (w)
Pes
o es
pecí
fico
apar
ente
sec
o (
d)
Linha de máximos
Curva de saturação
E1> E2> E3
E1
E2
E3
80-90%
Sr = 100%
Limite para o processo decompactação
Aproximadamente paraleloà curva de saturação
Energia de compactaçãod max
wot
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Compactação
Solos coesivos
O tipo de solo também influencia a curva de compactação
Para uma mesma energia de compactação, em geral:
Tec. de Melhoramento de Solos 20
γd max
wot
Argilosos Siltosos Arenosos
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Compactação
Tec. de Melhoramento de Solos 21
Solos coesivos
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Compactação
Tec. de Melhoramento de Solos 22
Solos coesivos
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Estrutura
Várias explicações teóricas para a forma da curva de compactação de
solos coesivos foram propostas por diversos pesquisadores
A abordagem se volta a de aspectos qualitativos, uma vez que é difícil
quantificar o fenômeno, dada à complexidade dos fatores envolvidos
A compactação dos solos pode envolver aspectos de capilaridade,
poro-pressões (de ar e de água), pressões osmóticas, fenômenos de
superfície, além de conceitos de tensão efetiva, tensão de
cisalhamento e compressibilidade
23Tec. de Melhoramento de Solos
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Estrutura
Proctor• PROCTOR, R. R. (1933). The design and construction of rolled earth dams.
Engineering News-Record, III, August 31, September 7, 21, and 28
Ramoseco
• Forças de atrito entre partículas criadas por tensões capilares existentesopõem resistência aos esforços de compactação
• Índice de vazios ↑ e d↓
Ramoseco
• Acréscimos de água ao solo resultam em efeitos de lubrificação entre suaspartículas produzindo arranjos mais compactos
Teorótimo
• Incrementos sucessivos no teor de umidade implicam em diminuição devazios até um ponto em que os mesmos são mínimos e a densidade émáxima → d max e wot
Ramoúmido
• acréscimos no teor de umidade além deste ponto, resultam em redução dasforças capilares e afastamento interpartículas, ficando o solo menos denso emais plástico
24Tec. de Melhoramento de Solos
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Estrutura
Hilf
• HILF, J. W. An investigation of pore-water pressure in compactedcohesive soils. Denver, Colorado: Technical Memorandum 654, U. S.Department of the Interior, Bureau of Reclamation, 1956.
Ramoseco
• Para baixos teores de umidade, formam-se meniscos de pequeno raio decurvatura entre as partículas do solo
• Alta resistência ao esforço de compactação
Ramoseco
• Posterior umedecimento do solo leva à suavização dos meniscos e,consequentemente, à perda de capacidade de resistir aos esforços decompactação
Teorótimo
• Os vazios existentes, inicialmente grandes e interligados, perdem ligaçõesentre si, até que próximo da umidade ótima é quase impossível expulsar o ardo solo
Ramoúmido
• Reduções na densidade do solo se devem ao aprisionamento do ar nos poroscom conseqüente geração de poro-pressão na fase gasosa e redução naeficiência do processo de compactação
25Tec. de Melhoramento de Solos
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Prof. Flavio A. Crispim
Estrutura
Olson• OLSON, R. E. Effective stress theory of soil compaction. Journal of the Soil
Mechanics and Foundation Division, ASCE, 89, No. SM2, pp. 27-45, 1963
Ramoseco
• Aumento no teor de umidade resulta na elevação da pressão nas fases líquidae gasosa, reduzindo a tensão efetiva e permitindo, assim, que ocorra ummelhor rearranjo das partículas
Ramoseco
• Acrescentando-se mais água ao solo, as partículas deslizam umas sobre asoutras, levando o solo a um nível de tensões efetivas que lhe permita resistirao esforço de compactação
Teorótimo
• Umidade, na qual, os vazios se tornam descontínuos e impedem a saída de ar• Não há mais redução do volume da massa de solo
Ramoúmido
• Com o aumento do teor de umidade a deformação aumenta e o γd do solodiminui
26Tec. de Melhoramento de Solos
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Estrutura
Lambe• LAMBE, T. W. Structure of compacted clay. Transactions ASCE, 125, pp. 682-
705, 1960
Ramoseco
• A dupla camada difusa não se encontra plenamente desenvolvida• Altas concentrações eletrolíticas e redução das forças de repulsão entre
partículas
Ramoseco
• Ocorre floculação das partículas com baixo grau de orientação resultando emum solo de baixa densidade
Teorótimo
• Teores de umidade maiores permitem o desenvolvimento da dupla camadadifusa, reduzindo o grau de floculação e produzindo estruturas mais dispersas
Ramoúmido
• Acréscimos no teor de umidade resultam em nova expansão da dupla camada• Redução das forças de atração entre partículas e redução da concentração de
sólidos
27Tec. de Melhoramento de Solos
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Estrutura
28Tec. de Melhoramento de Solos
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Estrutura
Barden eSides
• BARDEN, L.; SIDES, G. R. Engineering behavior and structure ofcompacted clay. Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division,ASCE, 96, No. SM4, p. 1171, 1970
Ramo seco
• O solo se estrutura, formando grumos de partículas, sendo que quanto maisseco o solo mais secos e rígidos são os grumos
• Efeitos de capilaridade proporcionam a esta estrutura condições pararesistir aos esforços de compactação sem muita distorção
Ramo seco
• Aumentando o teor de umidade os grumos são molhados e,consequentemente, apresentam menor resistência mecânica
• São mais facilmente distorcidos e preenchem os poros existentes, quetendem a desaparecer próximo da umidade ótima
Teor ótimo
• Os vazios preenchidos por ar perdem a continuidade, colocando-se umlimite na capacidade de redução de volume de um solo pela expulsão do ardos seus poros
29Tec. de Melhoramento de Solos
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Prof. Flavio A. Crispim
Estrutura
Resumo• O solo se estrutura, formando agregados de partículas, sendo tanto mais
secos e rígidos quanto mais seco o solo
Ramoseco
• Efeitos de capilaridade proporcionam a estrutura condições para resistir aosesforços de compactação sem muita distorção
Ramoseco
• Aumentando w, os agregados, apresentam menor resistência mecânica• São mais facilmente distorcidos e preenchem os poros existentes, que tendem
a desaparecer próximo da umidade ótima
Teorótimo
• Os vazios preenchidos por ar perdem a continuidade• Chega-se a um limite na capacidade de redução de volume do solo pela
expulsão do ar dos seus poros
Ramoúmido
• A água acrescentada ao solo ocupa o espaço antes ocupado por sólidos• A água, absorve parte do esforço de compactação, reduzindo a capacidade de
compactação
30Tec. de Melhoramento de Solos
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Prof. Flavio A. Crispim
Estrutura
Michel e Soga, 2005
31Tec. de Melhoramento de Solos
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Estrutura
Michel e Soga, 200532Tec. de Melhoramento de Solos
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Solos não coesivos
Quando compactados, em geral, os solos não-coesivos não
apresentam uma curva de compactação bem definida, como ocorre
com os coesivos
Para uma dada energia de compactação o peso específico aparente
seco é relativamente elevado, estando o solo seco ou saturado
Em teores de umidade intermediários, há pequena variação no peso
específico aparente seco
Assim, os conceitos de teor de umidade ótimo e peso específico
aparente seco máximo podem perder significado
Tec. de Melhoramento de Solos 33
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Solos não coesivos
Os solos não coesivos são caracterizados então através do parâmetro
compacidade relativa (CR)
onde:
emax - índice de vazios do solo no estado mais solto possível
emin - índice de vazios do solo no estado mais denso possível
e - índice de vazios do solo no estado considerado
d max - peso específico aparente seco do solo no estado mais denso possível
d min - peso específico aparente seco no estado mais solto possível
d - peso específico aparente seco no estado considerado
Tec. de Melhoramento de Solos 34
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Solos não coesivos
Tec. de Melhoramento de Solos
No Brasil, os índices emax e emin são determinados segundo
prescrições, respectivamente, das Normas Técnicas NBR 12004/90
(ABNT, 1990) e NBR 12051/91 (ABNT, 1991)
De acordo com a definição apresentada, CR varia de 0 a 1,
respectivamente para solos nos estados mais solto e mais compacto
possíveis
Uma classificação puramente arbitrária divide os solos não coesivos
em: compactos (CR > 0,70), soltos (CR < 0,30) e medianamente
compactos (0,30 < CR < 0,70)
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Solos não coesivos
Tec. de Melhoramento de Solos
Terminologia sugerida por Terzaghi para a classificação de areias
segundo a compacidade
Classificação Compacidade Relativa, CR (%)
Areia muito fofa Abaixo de 15
Areia fofa Entre 15 e 35
Areia medianamente densa Entre 35 e 70
Areia densa Entre 70 e 85
Areia muito densa Acima de 85
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Solos não coesivos
Tec. de Melhoramento de Solos
As características de compressibilidade e resistência ao cisalhamento
dos solos não coesivos relacionam-se com as suas compacidades
relativas
Em geral, os solos não coesivos são mais compressíveis quanto
menores forem as suas compacidades relativas e mais resistentes ao
cisalhamento quanto maiores forem estas
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Compactação em laboratório
A compactação de corpos-de-prova em laboratório, então, é feita
basicamente, por quatro vias:
compactação dinâmica - caracterizada pela ação de queda de um
soquete sobre a camada de solo
compactação estática - onde se exerce uma pressão constante sobre o
solo, a uma velocidade relativamente pequena
Tec. de Melhoramento de Solos 38
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Compactação em laboratório
A compactação de corpos-de-prova em laboratório, então, é feita
basicamente, por quatro vias:
Tec. de Melhoramento de Solos
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Compactação em laboratório
A compactação de corpos-de-prova em laboratório, então, é feita
basicamente, por quatro vias:
compactação por pisoteamento - em que, golpes são aplicados ao solo
através de um pistão com mola, em vez da tradicional queda de
soquete, iniciando-se a compactação pela parte inferior da camada, à
semelhança da compactação no campo com o equipamento pé-de-
carneiro;
compactação por vibração - na qual, pode-se ou não colocar uma
sobrecarga sobre a camada de solo a ser compactada, aplicando-se
vibração ao conjunto
Tec. de Melhoramento de Solos 40
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Conceito
Baseia-se nos estudos de Proctor, a padronização internacional do
ensaio de compactação, sendo o mesmo mais conhecido como Ensaio
Proctor, que no Brasil foi normatizado pela ABNT (1986) e DNIT
(DNER, 1994)
Tec. de Melhoramento de Solos 41
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Compactação em laboratório
Tec. de Melhoramento de Solos
O ensaio de compactação dinâmica é o mais utilizado e é aquele
desenvolvido por Proctor, que foi inicialmente normatizado pela, hoje,
American Association of State Highway and Transportation Officials
(AASHTO) e é conhecido como AASHTO standard ou ensaio Proctor
normal
No Brasil, esse ensaio é normatizado pela ABNT (1986) e também pelo
DNIT (DNER, 1994)
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Compactação em laboratório
Tec. de Melhoramento de Solos
Características do ensaio de compactação normatizado pela ABNT, contemplando, além da energia
normal, as energias intermediária e modificada
CilindroCaracterísticas inerentes a cada
energia de compactação
Energia de Compactação
Normal Intermediária Modificada
Pequeno
Soquete Pequeno Grande Grande
Número de camadas 3 3 5
Número de golpes por camada 26 21 27
Grande
Soquete Grande Grande Grande
Número de camadas 5 5 5
Número de golpes por camada 12 26 55
Altura do disco espaçador (mm) 63,5 63,5 63,5
ABNT, 1986
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Permeabilidade
Tec. de Melhoramento de Solos 44
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Compressibilidade
Tec. de Melhoramento de Solos 45
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Retração
Tec. de Melhoramento de Solos 46
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Resistência
Tec. de Melhoramento de Solos 47
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Compactação em campo
Fatores que influenciam a compactação no campo
•Teor de umidade do solo
•Número de passadas do equipamento
•Espessura da camada compactada
•Características do equipamento utilizado:
• Pressão aplicada
• Área de contato, etc
Tec. de Melhoramento de Solos 48
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Compactação em campo
Fatores que influenciam a compactação no campo
Constatação prática sobre a compactação no campo (Porter)
Número de passadas varia na razão direta do quadrado das
espessuras:
Camada de 10cm → n passadas do equipamento
Camada de 20cm → 4n passadas
Camada de 30cm → 9n passadas
Tec. de Melhoramento de Solos 49
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Compactação em campo
Fatores que influenciam a compactação no campo
Tec. de Melhoramento de Solos 50
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Compactação em campo
Fatores que influenciam a compactação no campo
Tec. de Melhoramento de Solos 51
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Compactação em campo
Tipos de compactadores
Rolo liso
Rolo de pneus
Rolo pé-de-carneiro
Rolos vibratórios
Compactadores manuais (tipo sapo)
Tec. de Melhoramento de Solos 52
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Compactação em campo
Tec. de Melhoramento de Solos 53
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Compactação em campo
Rolos lisos
•Mais apropriados para acabamento de camadas
•Camadas pouco espessas
O que afeta a compactação:
•Carga unitária por largura da roda
•Diâmetro e largura das rodas
•Camadas: espessuras < 12 - 15 cm
Tec. de Melhoramento de Solos 54
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Compactação em campo
Rolos lisos
Tec. de Melhoramento de Solos 55
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Compactação em campo
Rolos lisos
Influência do número de passadas
Tec. de Melhoramento de Solos 56
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Compactação em campo
Rolos de pneu
Solos: todos, à exceção de areias de granulometria uniforme
Espessura de camada acabada: < 30 cm
Flexibilidade no contato
Simula a ação do tráfego
Maior w, menor número de passadas para se obter γd max
Tec. de Melhoramento de Solos 57
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Compactação em campo
Rolos de pneu
Tec. de Melhoramento de Solos 58
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Compactação em campo
Rolos de pneu
Tec. de Melhoramento de Solos 59
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Compactação em campo
Rolos pé-de-carneiro
Pés: 15 a 25 cm
Uso: solos argilosos e residuais
wcompactação < wot
Espessura da camada acabada (E)
E < (comprimento da pata + 5cm)
Índice de vazios do solo: elevado
Melhor uso: solos finos
Tec. de Melhoramento de Solos 60
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Compactação em campo
Rolos pé-de-carneiro
Tec. de Melhoramento de Solos 61
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Compactação em campo
Rolos vibratórios
Tec. de Melhoramento de Solos 62
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Compactação em campo
Rolos vibratórios
Tec. de Melhoramento de Solos 63
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Compactação em campo
Compactadores manuais
Tec. de Melhoramento de Solos 64
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Compactação em campo
Seleção do equipamento
Tec. de Melhoramento de Solos 65
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Compactação em campo
Seleção do equipamento
Tec. de Melhoramento de Solos 66
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Compactação em campo
Seleção do equipamento
Tec. de Melhoramento de Solos 67
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Controle de compactação
Controle de compactação: conjunto de ações visando garantir que os
parâmetros de projeto sejam atendidos
A determinação dos parâmetros (relativos à resistência ao
cisalhamento, deformabilidade, permeabilidade, etc) em geral demanda
tempo e recursos incompatíveis com a rotina de obra
O controle incide então sobre características de fácil determinação
relacionadas aos parâmetros de projeto
Tec. de Melhoramento de Solos 68
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Controle de compactação
As características de solos compactados tradicionalmente são
relacionadas a dois parâmetros básicos
- peso específico aparente seco (γd)
- teor de umidade (w)
O controle dos trabalhos de compactação, portanto, pode ser feito
sobre estes dois parâmetros
Tec. de Melhoramento de Solos 69
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Controle de compactação
É comum admitir as variações
- γd: Grau de compactação( GC) entre 95% e 100%
- w: +/- 2%
wot w (%)
γd
γd max
Ramoseco
Ramoúmido
∆ wot
∆ γd max
Tec. de Melhoramento de Solos 70
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Prof. Flavio A. Crispim
Exemplo
Dalla Roza e Crispim (2013)
Tec. de Melhoramento de Solos 71
2. E
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Prof. Flavio A. Crispim
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Dalla Roza e Crispim (2013)
Tec. de Melhoramento de Solos 72
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Dalla Roza e Crispim (2013)
Tec. de Melhoramento de Solos 73
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Dalla Roza e Crispim (2013)
Tec. de Melhoramento de Solos 74