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Curso de Engenharia CivilCampus VIII – Araruna PB
Disciplina: Mecânica dos Solos IPeríodo – 2015.2
• Notas de Aula: Compactação dos Solos
• Profa.: Maria das Vitórias do Nascimento
• E-mail: [email protected]
Introdução Entende-se por compactação o processo manual ou
mecânico que visa reduzir o volume de vazios do solo,
melhorando as suas características de resistência,
deformabilidade e permeabilidade.
Objetivos da compactação:
Aumentar a resistência dos solos, o que, por sua vez,
aumenta a resistência das fundações construídas sobre
sua superfície;
Reduzir o recalque indesejado das estruturas;
Aumentar a estabilidade dos taludes de aterros.
Introdução Os fundamentos da compactação de solos são
relativamente novos e foram desenvolvidos por Ralph
Proctor, que, na década de 20, postulou ser a
compactação uma função de quatro variáveis:
Peso específico seco;
Umidade;
Energia de compactação; e
Tipos de solos (solos grossos, solos finos, etc.).
Compactação A um teor de umidade w = 0, o peso específico natural (у) é igual ao peso específico
seco (уd).
Quando o teor de umidade é gradativamente (w = w1) e у = у1
Acima de um determinado teor de umidade, qualquer aumento de umidade tende a
reduzir o peso específico seco. Isso ocorre porque a água ocupa os espaços que
eram ocupados pelas partículas sólidas.
O teor de umidade no qual o peso específico seco máximo é obtido é o teor de
umidade ótimo.
Compactação Diferença entre Compactação e Adensamento:
Pelo processo de compactação, a diminuição dos vazios
do solo se dá por expulsão do ar contido em seus
vazios, de forma diferente do processo de adensamento,
onde ocorre a expulsão de água dos interstícios do
solo.
As cargas aplicadas quando compactamos o solo são
geralmente de natureza dinâmica e o efeito conseguido
é imediato, enquanto que o processo de adensamento é
diferido no tempo (pode levar muitos anos para ocorra
por completo, dependendo do tipo de solo) e as cargas
são normalmente estáticas.
Compactação Ensaio de Compactação:
Em 1933, o Eng. Norte
americano Ralph Proctor
postulou os procedimentos
básicos para a execução do
ensaio de compactação. A
energia de compactação
utilizada na realização destes
ensaios é hoje conhecida como
energia de compactação
Proctor Normal.
Compactação Execução do Ensaio Proctor Normal:
Amostra de solo (deformada) para a realização de um ensaio de
compactação, o primeiro passo é colocá-la em bandejas de modo
que a mesma adquira a umidade higroscópica (secagem ao ar).
O solo então é destorroado e passado na peneira # 4, após o que
adiciona-se água na amostra para a obtenção do primeiro ponto da
curva de compactação do solo. Para que haja uma perfeita
homogeneização de umidade em toda a massa de solo, é
recomendável que a mesma fique em repouso por um período de
aproximadamente 24 hs.
• Após preparada a amostra de solo, a mesma é colocada em um
recipiente cilíndrico com volume igual a 1000ml e compactada com
um soquete de 2500g, caindo de uma altura de aproximadamente
30cm, em três camadas com 25 golpes do soquete por camada.
Compactação Execução do Ensaio Proctor Normal:
Este processo é repetido para amostras de solo com diferentes
valores de umidade, utilizando-se em média 5 pontos para a
obtenção da curva de compactação.
De cada corpo de prova assim obtido, determina-se o peso
específico do solo seco e o teor de umidade de compactação.
Após efetuados os cálculos dos pesos específicos secos e das
umidades, plotam-se esses valores (уd ; w) em um par de eixos
cartesianos, tendo nas ordenadas os pesos específicos do solo
seco e nas abcissas os teores de umidade.
Compactação Execução do Ensaio Proctor Normal:
Compactação Curva de Compactação:
A partir dos pontos experimentais obtidos conforme
descrito anteriormente, traça-se a curva de
compactação do solo.
Observa-se que na curva de compactação o peso
específico seco aumenta com o teor de umidade até
atingir um valor máximo, decrescendo com a umidade a
partir de então.
O teor de umidade para o qual se obtém o maior valor
de уd (уdmax) é denominado de teor de umidade ótimo
(ou simplesmente umidade ótima).
Compactação Curva de Compactação: O ramo da curva de compactação anterior ao valor de umidade ótima é
denominado de "ramo seco" e o trecho posterior de "ramo úmido" da curva
de compactação.
No ramo seco, a umidade é baixa, a água contida nos vazios do solo está
sob o efeito capilar e exerce uma função aglutinadora entre as partículas. À
medida que se adiciona água ao solo ocorre a destruição dos benefícios da
capilaridade, tornando-se mais fácil o rearranjo estrutural das partículas.
No ramo úmido, a umidade é elevada e a água se encontra livre na
estrutura do solo, absorvendo grande parte da energia de compactação.
Como no processo de compactação não conseguimos nunca expulsar todo
o ar existente nos vazios do solo, todas as curvas compactação (mesmo
que para diferentes energias) se situam à esquerda da curva de saturação.
Compactação Curva de Compactação: O peso específico seco máximo teórico é obtido quando não há presença
de ar nos espaços vazios (S = 100% ) pela equação.
Figura: Curva de Compactação típicas
w
s
wszav
s
wsd
s
wsd
Gw
wG
G
S
wG
G
wGSe
e
G
11
1
1
Compactação Energia de Compactação: Embora mantendo-se o procedimento de ensaio, um ensaio de
compactação poderá ser realizado utilizando-se diferentes energias. A
energia de compactação empregada em um ensaio de laboratório pode ser
facilmente calculada mediante o uso apresentada a seguir:
V
PhNnE
Onde:
P → Peso do Soquete (N)
h → Altura de Queda do Soquete (m)
N → Número de Golpes por Camada
n → Número de Camadas
V → Volume de solo compactado (m³ )
Compactação Energia de Compactação:
Influência da energia de compactação na curva de compactação do
solo
À medida em que se aumenta a energia de compactação, há uma redução
do teor de umidade ótimo e uma elevação do valor do peso específico seco
máximo.
Figura: Efeito da Energia de Compactação nas Curvas de Compactação
obtidas para um mesmo solo.
Compactação Energia de Compactação: Influência da energia de compactação na curva de compactação do
solo
Compactação Energia de Compactação:
Influência da energia de compactação na curva de compactação do
solo
Figura: Curvas de
compactação de um
solo com diferentes
energias
Compactação Energia de Compactação:
Influência da energia de compactação na curva de compactação do
solo
Tendo em vista o surgimento de novos equipamentos de campo, de grande
porte, com possibilidade de elevar a energia de compactação e capazes de
implementar uma maior velocidade na construção de aterros, houve a
necessidade de se criar em laboratório ensaios com maiores energias que
a do Proctor Normal.
Proctor Normal: Energia de compactação 6 kgf×cm/cm3
Proctor Intermediário: Energia de compactação 12 kgf×cm/cm3
Proctor Modificado: Energia de compactação 25 kgf×cm/cm3
Compactação Influência da energia de compactação na curva de compactação do
solo
Ensaio de Proctor Modificado:
Compactação
Energia de
Compactação:
Influência da energia
de compactação na
curva de
compactação do solo
Compactação Energia de Compactação:
Influência da energia de compactação na curva de compactação do
solo
Tabela: Comparação entre alguns padrões adotados para o ensaio de
compactação.
* Proctor Normal; ** Proctor Modificado; *** Esta energia corresponde
aproximadamente à energia do Proctor Intermediário.
Compactação Influência da compactação na estrutura dos solos
A figura abaixo apresenta a influência da compactação na estrutura dos solos.
Conforme se pode observar desta figura, as estruturas formadas no lado seco da
curva de compactação tendem a ser do tipo floculada, enquanto que no lado úmido da
curva de compactação formam-se solos com estruturas predominantemente
dispersas.
Figura: Influência da compactação na estrutura dos solos. Modificado de
Lambe & Whitman (1969)
Compactação Influência do tipo de solo na curva de compactação
Tamanho dos grãos;
Distribuição granulométrica;
Formato das partículas;
Peso específico relativo dos sólidos do solo;
Quantidade e tipos de minerais de argila presentes.
Compactação Influência do tipo de solo na curva de compactação
LL entre 30 e 70 LL menor 30
LL > 70 LL < 30 e LL > 70
Figura: Curvas de compactação de diversos solos brasileiros
Compactação Escolha do valor de umidade para compactação em
campo
A compactação do solo deve proporcionar ao solo, para a
energia de compactação adotada, a maior resistência
estável possível.
Pergunta: Porque os solos não são compactados em
campo em valores de umidade inferiores ao valor ótimo?
Resposta: Não basta que o solo adquira boas
propriedades de resistência e deformação, eles devem
permanecer durante todo o tempo de vida útil da obra.
Compactação
• Caso o solo fosse compactado no teor
de umidade w1, ele iria apresentar
uma resistência bastante superior
àquela obtida quando da compactação
no teor de umidade ótimo. Contudo,
este solo poderia vir a se saturar em
campo (em virtude de um período de
fortes chuvas, por exemplo), vindo a
alcançar o valor de umidade w2, para
o qual o valor de resistência
apresentado pelo solo é praticamente
nulo.
• No caso de o solo ser compactado na
umidade ótima, o valor de sua
resistência cairia somente de R para r,
estando o mesmo ainda a apresentar
características de resistência
razoáveis.
Escolha do valor de umidade para compactação em campo
Compactação
Os princípios que estabelecem a compactação dos solos
no campo são essencialmente os mesmos já discutidos.
Assim, os valores de peso específico seco máximo
obtidos são fundamentalmente função de:
Tipo de solo;
Quantidade de água utilizada;
Energia específica aplicada:
Tipo e peso do equipamento;
Espessura da camada de compactação;
Número de passadas sucessivas aplicadas.
Fatores que afetam a compactação em campo
Compactação Fatores que afetam a compactação em campo
Compactação Fatores que afetam a compactação em campo
Compactação
Os quatros tipos mais comuns:
– Rolo compactador liso (ou tambor liso);
– Rolo compactador de pneus de borracha;
– Rolo compactador pé de carneiro;
– Rolo compactador vibratório.
Compactação em campo – Equipamentos
Compactação
Rolo compactador liso: Cilindro oco de aço podendo ser
preenchido por areia úmida ou água, a fim de que seja
aumentada a pressão aplicada. São usados em bases de
estradas, em capeamentos e são indicados para solos
arenosos, pedregulhos e pedra britada, lançados em
espessuras inferiores a 15cm.
Este tipo de rolo compacta bem camadas finas de 5 a
15cm com 4 a 5 passadas.
Os rolos lisos possuem pesos de 1 a 20t.
Compactação em campo – Equipamentos
Compactação
Rolo compactador liso:
Compactação em campo – Equipamentos
Compactação
Rolo compactador de pneus de borracha: Os rolos
pneumáticos são eficientes na compactação de capas
asfálticas, bases e sub-bases de estradas e indicados para
solos de granulação fina a arenosa.
Os rolos pneumáticos podem ser utilizados em camadas
de até 3cm e possuem área de contato variável, função da
pressão nos pneus e do peso do equipamento.
Pode-se usar rolos com cargas elevadas obtendo-se bons
resultados. Nestes casos, muito cuidado deve ser tomado
no sentido de se evitar a ruptura do solo.
Compactação em campo – Equipamentos
Compactação
Rolo compactador de pneus de borracha:
Compactação em campo – Equipamentos
Compactação
Rolo compactador pé de carneiro: É um tambor
metálico com protuberâncias (patas) solidarizadas, em
forma tronco- cônica e com altura de aproximadamente
de 20cm. Podem ser auto propulsivos ou arrastados por
trator. É indicado na compactação de outros tipos de
solos argilosos e promove um grande entrosamento entre
as camadas compactadas.
A camada compactada possui geralmente 15cm, com
número de passadas variando entre 4 e 6 para solos finos
e de 6 a 8 para os solos grossos.
Compactação em campo – Equipamentos
Compactação
Rolo compactador pé de carneiro:
Compactação em campo – Equipamentos
Compactação
Rolo compactador vibratório: Nos rolos vibratórios, a frequência da
vibração influi de maneira extraordinária no processo de compactação
do solo. São utilizados eficientemente na compactação de solos
granulares (areias), onde os rolos pneumáticos ou Pé de Carneiro não
atuam com eficiência.
A espessura máxima da camada é de 15cm.
Compactação em campo – Equipamentos
Compactação
Rolo compactador vibratório:
Compactação em campo – Equipamentos
Compactação
Soquetes:
São compactadores de impacto utilizados em locais de difícil acesso
para os rolos compressores, como valas, trincheiras, etc. Possuem peso
mínimo de 15kgf, podendo ser manuais ou mecânicos (sapos).
A camada a ser compactada deve ter 10 a 15 cm para o caso dos solos
finos em torno de 15cm para o caso dos solos grossos.
Compactação em campo – Equipamentos
Compactação
Para que se possa efetuar um bom controle da
compactação do solo em campo, deve-se atentar para os
seguintes aspectos:
Tipo de solo;
Espessura da camada;
Entrosamento entre as camadas;
Número de passadas;
Tipo de equipamento;
Umidade do solo;
Grau de compactação alcançado.
Controle de compactação
Compactação
Observações:
1. A espessura da camada lançada não deve exceder a
30cm, sendo que a espessura da camada compactada
deverá ser menor que 20cm.
2. Deve-se realizar a manutenção da umidade do solo o
mais próximo possível da umidade ótima.
3. Deve-se garantir a homogeneização do solo a ser
lançado, tanto no que se refere à umidade quanto ao
material.
Controle de compactação
Compactação A compactação no campo:
Escolha da área de empréstimo:
Compactação A compactação no campo:
Transporte e espalhamento do solo:
Compactação A compactação no campo:
Acerto da umidade (irrigação) e homogeneização do solo:
Compactação A compactação no campo:
Compactação propriamente dita:
Compactação A compactação no campo:
Controle de compactação:
Wot ± 1% ou Wot ± 2%;
Grau de Compactação, no mínimo 95%.
Compactação Controle de compactação
Compactação Controle de compactação
Compactação Método do Frasco de Areia:
Determina-se o peso do conjunto (frasco + cone + areia) (W1);
Determina-se peso do solo úmido retirado do furo (W2);
Peso do solo seco (W3) é dado por:
Determina-se o peso do conjunto (W4) após a areia ser liberada e encher o
furo e o cone.
Onde: W5 peso da areia para preencher o furo e o cone.
100
(%)1
23 w
WW
415 WWW
Compactação Método do Frasco de Areia:
O volume do furo escavado pode ser determinado por:
Onde: Wc = peso da areia necessária para encher apenas o cone
уd(areia) = peso específico da areia Ottawa usada.
O peso específico seco de compactação realizado em campo é dado por:
)(
5
areiad
cWWV
V
Wd
3
Compactação Método do Frasco de Areia:
Compactação Método do balão de borracha: Método nuclear: