UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ - UFPA

INSTITUTO DE TECNOLOGIA - ITEC

FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL - FEC

RELATÓRIO DE ENSAIO DE COMPACTAÇÃO

Carlo Yukio Nunes – 12019038601

Nilson Martins Alves Neto – 12019038701

Belém

2013

ii

Carlo Yukio Nunes – 12019038601

Nilson Martins Alves Neto – 12019038701

RELATÓRIO DE ENSAIO DE COMPACTAÇÃO

Relatório apresentado como requisito parcial

para obtenção do conceito final da disciplina de

Ensaios de Estruturas e Materiais do curso de

Engenharia Civil da Universidade Federal do

Pará – UFPA.

Prof. M. Sc. Paulo Antônio Siso de Oliveira.

Belém

2013

iii

SUMÁRIO

Resumo ............................................................................................................................... iv

1 – INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 1

2 – OBJETIVOS .................................................................................................................. 3

3 – MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................................... 3

3.1 – MATERIAIS .................................................................................................... 3

3.2 – MÉTODOS ....................................................................................................... 3

4 – RESULTADOS OBTIDOS ........................................................................................... 5

5 – CONCLUSÃO ............................................................................................................... 7

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 7

ANEXO A ............................................................................................................................ 8

iv

Resumo

O presente relatório objetivou a determinação da curva de compactação de um solo

e os valores de peso específico ótimo máximo γd,opt e teor de umidade ótima wopt , por meio

do ensaio de compactação executado com o cilindro de Proctor normal, de acordo com os

procedimentos determinados pela NBR 7182 e amostra preparadas pela NBR 6457. A partir

de cinco amostras retiradas da compactação do solo no cilindro, fez-se uma análise

relacionando suas umidades e os respectivos pesos específicos encontrados, para plotar o

gráfico característico. Obtendo-se a umidade ótima e o peso específico ótimo máximo para

o material, e ainda estabeleceu-se a energia de compactação do ensaio a partir das

características geométricas da aparelhagem de ensaio.

Palavra-chave: curva de compactação, solo, umidade ótima.

1

1 – INTRODUÇÃO.

Na construção de taludes rodoviários, barragens de terra ou quaisquer outras estruturas,

os solos soltos devem ser compactados para que seus pesos específicos sejam aumentados. A

compactação aumenta a resistência dos solos, o que, por sua vez, aumenta a resistência das

fundações construídas sobre sua superfície. A compactação também reduz o recalque

indesejado das estruturas e aumenta a estabilidade dos taludes de aterros[1].

A Compactação, em termos gerais, é a densificação do solo por meio da remoção de ar,

o que requer energia mecânica. O grau de compactação de um solo é medido com base no peso

especifico seco (γd). Quando adicionada ao solo durante a compactação, a água atua como um

agente de amolecimento de partículas. As partículas do solo deslizam umas sobre as outras e se

movem para uma posição densamente compactada. Após a compactação, o peso especifico seco

aumenta, em princípio, conforme aumenta o teor de umidade (figura 1.1) [1].

Figura 1.1 – Princípios de compactação (BRAJA, 2011).

Quando o ter de umidade é gradativamente aumentado sob a mesma força de

compactação, o peso dos sólidos, em um volume unitário, aumenta gradativamente. Acima de

um determinado teor de umidade, qualquer aumento tende a reduzir o peso específico seco.

Esse fenômeno ocorre porque a água ocupa os espaços que eram ocupados pelas partículas

sólidas. O teor de umidade no qual o peso especifico seco máximo é obtido é geralmente

chamado de teor de umidade ótimo (wopt) [1].

O teste de laboratório geralmente usado para determinar o peso específico seco máximo

de compactação e o teor de umidade ótimo é chamado de ensaio de compactação Proctor [1].

Para cada teste, a densidade natural de compactação, γ, pode ser calculada por:

𝛾 =𝑊

𝑉(𝑚) Equação (1.1)

Onde:

W = Peso do solo compactado no molde. V(m) = Volume do molde (944 cm3)

Em cada ensaio, o teor de umidade do solo compactado pode ser determinado no

laboratório. Com o teor de umidade (w%) conhecido, o peso específico seco pode ser calculado

por:

2

𝛾𝑑 =𝛾

1+𝑤 (%)

100

Equação (1.2)

𝛾𝑑 =𝐺𝑠×𝛾𝑤

1+𝐺𝑠×𝑤

𝑆

Equação (1.3)

Os valores de γd determinados a partir da equação 1.2 podem ser plotados em um

gráfico, em função dos teores de umidade correspondentes, para obter o peso específico seco

máximo e o teor de umidade ótimo do solo, figura 1.2.

Para dado teor de umidade, o peso específico seco máximo teórico é obtido quando não

há presença de ar nos espaços vazios – i.e, quando o grau de saturação (S) é igual a 100%.

Portanto, o peso específico seco máximo (γd,máx) em um dado teor de umidade com os vazios

sem ar pode ser obtido substituindo-se S = 1 na equação 1.3 [1].

Figura 1.2 – Comportamento do Ensaio de

compactação de argila siltosa (BRAJA, 2011).

Figura 1.3 – Curva de compactação típicas para

quatro solos (BRAJA, 2011).

O teor de umidade tem forte influência sobre o grau de compactação alcançado em um

determinado solo. Além do teor de umidade, outros fatores importantes que afetam a

compactação são o tipo do solo e o esforço de compactação (energia por unidade de volume).

O tipo de solo – i.e, tamanho dos grãos, distribuição granulométrica desses grãos, formato das

partículas, o Gs do solo e quantidade e tipos de minerais de argila presentes – exerce grande

influência sobre o γd,máx e o wopt. A figura 1.3 mostra curvas de compactação típicas obtidas de

quatro solos [1].

A energia de compactação por unidade de volume EC usada no ensaio Proctor normal,

pode ser dada em:

𝐸𝐶 =𝑁×𝐶×𝑊𝑠×𝐻

𝑉(𝑚) Equação (1.4)

Onde:

N = Número de Golpes;

C = Número de Camadas;

Ws = Peso do Soquete;

H = Altura de Queda do Soquete.

3

2 – OBJETIVOS.

Obter a partir do ensaio de compactação do solo os valores do:

Plotar a Curva de Compactação do Solo

Proctor Normal;

Determinar o Peso Específico Máximo

(γd,máx);

Teor Umidade Ótima (wopt);

Energia de Compactação (EC).

3 – MATERIAIS E MÉTODOS.

3.1 – MATERIAIS.

Para realização do ensaio foram utilizados a balança de precisão para pesagem das

amostras de solo, estufa para secagem das amostras, cápsulas metálicas com tampa para coleta

de amostras e determinação da umidade, bandejas metálicas 75 cm x 50 cm x 5 cm, régua de

aço biselada de 30 cm, espátula, cilindro metálico pequeno (cilindro de Proctor) compreendendo

sua base e o cilindro complementar de mesmo diâmetro (colarinho), soquete metálico pequeno

e proveta para aferição da quantidade de água.

Figura 3.1.1 – Equipamentos de ensaio de

compactação Proctor Normal.

Figura 3.1.2 – Diagrama esquemático do

equipamento (BRAJA, 2011).

3.2 – MÉTODOS.

Os procedimento do ensaio de compactação são baseados na NBR 7182:86 e as amostras

preparadas com base na NBR 6457:86. Primeiramente, para realizar o experimento necessitou-

se pesar o cilindro de Proctor, posteriormente colocou-se a amostra de solo na bandeja metálica

(Figura 3.2.1), adicionou-se água destilada gradativamente com o auxílio da proveta (Figura

3.2.2), revolvendo-se continuamente o material (Figura 3.2.3). Fez-se este processo para 5

amostras, dos quais pretende-se obter a a curva de compactação de γd em função w.

Após a completa homogeneização do material, procedeu-se o ensaio de compactação,

este foi executado a partir de 26 golpes distribuídos em 3 camadas de alturas aproximadamente

iguais. Os golpes do soquete foram aplicados perpendicularmente e distribuídos uniformemente

sobre a superfície de cada camada (Figura 3.2.4).

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Figura 3.2.1 – Amostra de solo na bandeja

metálica.

Figura 3.2.3 – Aferição da quantidade de água a

ser adicionada no material.

Figura 3.2.3 – Homogeneização do material.

Figura 3.2.4 – Compactação do material no

conjunto cilíndrico.

Após a compactação da última camada, foi retirado o cilindro complementar

(colarinho), rasando com auxílio da régua biselada o cilindro base (Figura 3.2.5).

Posteriormente o conjunto foi pesado para obtenção da massa total do solo compactado (Mt).

Com auxílio da espátula foi retirado o corpo de prova do molde, e a partir deste foi preenchido

uma cápsula metálica para determinação da umidade (w%) com auxílio da estufa para secagem

do material das cápsulas e da balança de precisão para determinação dos pesos. Após o

procedimento juntou-se o material obtido com o remanescente na bandeja para execução de

outra compactação a partir de uma nova umidade. Esse procedimento foi repetido por 4 vezes.

Figura 3.2.5 – Arrasamento do cilindro base com a régua biselada.

5

4 – RESULTADOS.

As características do cilindro metálico de Proctor, para um diâmetro D, uma altura h,

um volume do molde V(m) e massa do cilindro M(m) estão listada na tabela 4.1.

Tabela 4.1 – Características físicas do cilindro

metálico.

N° D (cm) h (cm) V(m) (cm³) M(m) (g)

11 10 12,73 1.000 2.051

Confeccionou-se a tabela 4.2 a partir dos dados aferidos pela balança após a

compactação da amostra. Devendo-se considerar o volume do cilindro base, obteve-se a massa

da amostra compactada Mac e a massa específica do solo úmido ρ.

Tabela 4.2 – Dados do solo úmido.

M(m) + Mac (g) Mac (g) ρ (g/cm³)

3.605 1.554 1,554

3.670 1.619 1,619

3.975 1.924 1,924

3.945 1.894 1,894

3.855 1.804 1,804

Obteve-se na tabela 4.3 primeiramente as massas das cápsulas, e após a confecção das

cápsulas metálicas a partir dos moldes compactados no ensaio, encontrou-se os resultados da

massa total do solo mais a massa da cápsula (Mt + Mca). Posteriormente após as cápsulas

passarem pela estufa obteve-se os resultados da massa do solo seco mais a massa da cápsula

(Ms + Mca). Devendo-se utilizar estes resultados para encontrar-se os valores da massa de água

(Mw) e a massa do solo seco (Ms), permitindo os cálculos da umidade e da massa específica do

solo seco ρd para cada cápsula.

Tabela 4.3 – Dados para umidade e solo seco.

N° da

cápsula

Mt + Mca

(g)

Ms + Mca

(g) Mca (g) Mw (g) Ms (g) w (%)

ρd

(g/cm³)

2 53,45 50,87 23,13 2,58 27,74 9,30 1,422

3 55,69 52,14 25,42 3,55 26,72 13,29 1,429

8 52,67 49,09 28,43 3,58 20,66 17,33 1,640

10 62,30 55,40 22,81 6,90 32,59 21,17 1,563

12 61,58 52,35 14,5 9,23 37,85 24,39 1,450

Utilizando-se os valores de ρ, ρd e w, confeccionou-se a tabela 4.4 para os pesos

específicos, considerando a gravidade g = 9,81 m/s2 em um V(m) = 10-3 m3 e a partir desses dados

obteve-se a curva de compactação mostrada no gráfico 4.1. A partir da equação 1.3

confeccionou-se as curvas de γd para 3 graus de saturações: 100, 85 e 79 %, e em seguida plotou-

se apenas as curvas a partir dos pontos obtidos. Para este gráfico, considera-se o valor de Gs =

2,62 do solo obtido no relatório antecessor a este e o γw = 9,81x103 N/m3. Obteve-se os valores

de wopt = 18,1% e γd,máx = 16,2 KN/m3.

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Tabela 4.4 – Pesos específicos dos solos e suas respectivas umidades.

W (N) γ (KN/m3) w (%) γd (KN/m3) γd,S

S (100%) S (85%) S (79%)

15,25 15,25 9,30 13,95 20,67 19,98 19,98

15,88 15,88 13,29 14,02 19,07 18,24 18,24

18,88 18,88 17,33 16,09 17,68 16,75 16,75

18,58 18,58 21,17 15,33 16,53 15,55 15,55

17,70 17,70 24,39 14,23 15,68 14,67 14,67

Gráfico 4.1 – Curva de compactação do material.

Para obter-se o peso específico seco máximo teórico (γd,máx,t) em na dado teor de

umidade ótimo com os vazios sem ar pode ser obtido substituindo-se S = 1 (100%) na equação

1.3. Com resultado de γd,máx,t = 17,44 KN/m3.

Na tabela 4.5, utilizou-se os parâmetros do ensaio, o número de golpes N, o número de

camadas C, a o peso do soquete Ws, a altura de queda do soquete H, o volume de solo

compactado no molde V(m) para a determinação da energia de compactação EC na qual o ensaio

de Proctor normal foi solicitado.

Tabela 4.5 – Energia de compactação.

N C Ws (N) H (m) V(m) (m³) EC (KJ/m³)

26 3 24,53 0,305 10-3 583,49

7

5 – CONCLUSÃO.

Os objetivos foram alcançados, porém devendo-se fazer algumas análises e

considerações em comparação a base teórica consultada.

Comparando-se a curva obtida no ensaio com as curvas típicas para quatro solos

mostradas na figura 1.3, nota-se que o solo ensaiado apresenta um comportamento próximo de

uma “areia mal graduada” e uma “argila altamente plástica”. A característica típica da curva

poder ser representada, de acordo com o Anexo A, pelo tipo B ou C necessitando-se do

conhecimento prévio do Limite de Liquidez (LL) do solo e mais pontos de umidade w na curva

de compactação para diferenciar os dois tipos.

Na curva de compactação obtida, nota-se que o γd tem uma tendência geral de primeiro

diminuir conforme o teor de umidade aumenta, e depois aumentar até o valor máximo,

conforme a umidade continua aumentando. A redução inicial do γd em função do aumento do

w pode ser atribuída ao efeito da tensão capilar, que em teores de umidade menores a água do

poro inibe a tendência que as partículas do solo têm de se movimentar e se organizar de forma

mais compacta. Ressalta-se que uma outra possibilidade é devido à erros no processo de

compactação do solo no cilindro de Proctor.

Nota-se no gráfico da curva de compactação que a curva de saturação para S = 85% se

aproxima da curva de compactação a partir do ponto em que ocorre a queda, ou seja, o ponto

de γd,opt e wopt, estabelecendo a região próxima do limite de crescimento da curva de

compactação. O valor S = 79% para Gs = 2,62 obtido no ensaio de índices físicos é o que

representará o real limite da curva de compactação. E considerando esses dados, o valores reais

de γd,opt e wopt serão menores do que o encontrado na tangente do ponto máximo da curva.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT. Solo – Ensaio compactação: NBR 7182.

Rio de Janeiro, 1986.

Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT. Amostra de solo – Preparação para

ensaios de compactação e ensaios de caracterização. NBR 6457. Rio de Janeiro, 1986.

[1] BRAJA, M. Das; Fundamentos de Engenharia Geotécnica. Tradução por EZ2 Translate. 7ª

edição. São Paulo: Cengage Learning, 2011, p. 101-108.

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ANEXO A

Lee e Suedkamp (1972) estudaram as curvas de compactação de 35 amostra de solo.

Eles observaram que quatro tipos de curva de compactação podem ser obtidos, que são

apresentados na figura A.1. A tabela a seguir é um resumo dos tipos de curvas de compactação

encontradas em vários solos, com referência à figura A.1.

Tabela A.1 - Características de curvas.

Tipo de curva de compactação (Figura A.1) Descrição da curva Limite de Liquidez

A Formato de sino 30 < LL < 70

B Um pico e meio LL <30

C Pico duplo LL < 30 ou LL > 70

D Formato assimétrico LL> 70

Fonte: BRAJA, 2011.

Figura A.1 – Vários tipos de compactação encontradas nos solos.