COMPACTAÇÃO DE SOLOS

Compactação

• Processo mecânico que, por aplicação repetida e rápida de cargas, conduz a uma diminuição do volume aparente de uma dada massa de solo, com a consequente redução do índice de vazios.

• Neste processo a diminuição do volume aparente resulta fundamentalmente da expulsão do ar dos vazios do solo, permitindo assim um melhor arranjo das partículas de solo.

• A diminuição dos vazios do solo conduz a uma maior área de contacto entre as partículas sólidas constituintes do solo, e consequentemente a um aumento da respectiva capacidade para suportar cargas.

• Além disso, o solo ficando num estado mais compacto ou denso, será menos susceptível de sofrer assentamentos e dificultará a passagem da água ou seja torna-se menos permeável.

Outros processos que conduzem àdiminuição do volume aparente do solo

• Permanência de uma carga estática, mas nesse caso o fenómeno designa-se por consolidação (se a expulsão de água dos vazios do solo érelevante)

• Retracção devido à perda de água do solo por secagem.

Principais objectivos da compactação

• Evitar futuros assentamentos (totais e diferenciais)

• Melhorar a capacidade do solo para suportar cargas e garantir uma maior estabilidade do material em obra.

Esquema dos objectivos da compactação

Ensaio de compactação tipo Proctor

• Consiste em compactar num molde normalizado, segundo um procedimento normalizado, uma amostra de solo, determinando-se o peso volúmico seco (ou a massa volúmica seca) e o teor em água do solo compactado.

• Este procedimento repetido várias vezes permite traçar uma curva, que se designa por curva de compactação, num diagrama em que, em abcissas, se representam os teores em água e, em ordenadas, os pesos volúmicos secos.

Ensaio de Proctor EN 13286-2Resumo das características para o ensaio de Proctor e Proctor

Modificado

985625--Número de pancadas por camada

355--Número de camadas

600457457mmh2Altura de queda

1255050mmd2Diâmetro da base do martelo

154.54.5kgmRMassa do martelo

ProctorModificado

225625--Número de pancadas por camada

333--Número de camadas

600305305mmh2Altura de queda

1255050mmd2Diâmetro da base do martelo

152.52.5kgmRMassa do martelo

Proctor

CBA

Molde do Proctor

UnidadesiglaCaracterísticas do ensaioTipo de ensaio

Curva de compactação de um ensaio Proctor

Curvas peso volúmico

seco - teor em água para diferentes

esforços de compactação

γd

(g/cm3)

Efeito da energia de compactação na curva de compactação de um dado solo

Energia específica de compactação

V

hWnNE

×××=

N – Número de pancadas por camada

n – número de camadas de solo no interior do molde

W – peso do pilão

h – altura de queda do pilão

Influência do teor em água no comportamento mecânico dos solos finos

• Para uma dada energia de compactação e para um valor de peso volúmico seco inferior ao valor máximo, existem dois teores em água que, embora com o mesmo peso volúmico seco, não conduzem ao mesmo comportamento mecânico do solo.

dmáxγ

dγ

No caso do teor em água se situar do lado seco, o comportamento do solo exibirá:

• Resistência ao corte elevada, que aumenta com a energia de compactação;

• Variações de pressão da água nos vazios do solo praticamente nula;

• Eventualmente fissuras;

• Expansão do solo com aumento do teor em água (no caso de estar bem compactado)

Caso o teor em água esteja do lado húmido, ter-se-á:

• Uma menor resistência, que é pouco sensível à variação de energia; pode mesmo acontecer que um aumento de energia de compactação conduza a uma diminuição de resistência;

• Eventualmente uma pressão intersticial da água elevada nos vazios do solo;

• Um solo muito plástico;

• Um risco mínimo à expansão.

Ensaio de compactação por vibração

• O peso volúmico seco máximo é, nos solos granulares, em geral obtido em ensaios de adensamento por vibração, sendo esta vibração realizada por acção directa no solo (pilão vibrador ou placa vibradora) ou através do molde contentor do solo (mesa vibradora).

• Os ensaios de adensamento por vibração, nos solos incoerentes, parecem conduzir a valores de baridade mais elevados e menos dispersos que os realizados por compactação por apiloamento.

Equipamentos de compactação

• Categorias de equipamentos de compactação:

– Cilindros estáticos: cilindros de rasto liso de rodas de aço, cilindros de pneus e cilindros pés de carneiro;

– Cilindros vibradores: cilindros de rasto liso de rodas de aço, cilindros de pneus e cilindros pés de carneiro;

– Equipamentos de percussão.

Factores que influenciam a compactação no campo de um determinado tipo de solo:

• Teor em água do solo;

• Número de passagens do cilindro;

• Espessura da camada compactada;

• Características do equipamento: pressão, área de contacto, etc.

Definição de curvas de compactação no campo

• A acção do pilão Proctor do laboratório ésimulada no campo pela passagem do cilindro, traduzindo o número de aplicações de carga do cilindro o número de pancadas do pilão.

Definição de curvas de compactação no campo

• O número óptimo de passagens até onde se verifica um aumento significativo do peso volúmico seco (ou da massa volúmica seca) depende dos seguintes factores:

– Tipo de solo a ser compactado

– Tipo de equipamento utilizado

– Teor em água

– Espessura da camada compactada

Factores importantes na compactação de campo

• Deformabilidade do terreno subjacente àcamada a ser compactada. Se esse terreno tiver uma deformabilidade elevada dificultará a compactação da camada sobrejacente;

• Efeito da compactação em profundidade;

• Efeito da compactação por camadas.

Cilindro estático de rasto liso

• A classificação destes cilindros é feita pelo peso total por unidade de largura de rolo. A carga por unidade de largura varia entre 30 kg/cm atévalores da ordem de 110 kg/cm.

• A eficiência destes cilindros em profundidade épequena, pelo que não devem ser utilizadas espessuras de camadas superiores a cerca de 15 cm, depois de compactadas.

Cilindro estático de rasto liso

• Usado na compactação de materiais granulares (cascalhos e areias bem graduadas), sobretudo no acabamento da camada quando se pretende obter uma textura mais fina.

Cilindro de rasto liso com 3 rolos

Cilindro estático pés de carneiro

• São constituídos por cilindros metálicos ocos em que na superfície são adaptadas hastes metálicas, designadas de “patas” ou “pés”, com comprimentos variando entre 15 e 25 cm.

• A classificação destes cilindros é feita através da massa por unidade de largura de rolo. Os rolos correntes apresentam valores entre 30 kg/cm e 90 kg/cm.

Cilindro estático de pés de carneiro

Cilindro estático pés de carneiro

• São apropriados para a compactação de solos finos, em particular de solos argilosos, em camadas com espessuras entre 15 e 30 cm.

Cilindro de pneus

• Pode ser usado em diferentes tipos de solos, excepto em areias uniformes.

• A classificação destes cilindros é feita com base na carga por roda, que varia entre 25000 kg e 60000 kg.

Cilindro de pneus

Cilindro vibrador

• São usados na compactação de todos os solos granulares, incluindo as areias uniformes.

• São classificados de acordo com os seguintes parâmetros:– (M1/L) e A0

– M1 – massa total aplicada sobre a geratriz do rolo vibrador

– L – largura do rolo– A0 – amplitude de vibração

Compactador vibrador monocilindro liso

Placas vibrantes

• São equipamentos ligeiros de compactação que se usam para pequenos trabalhos de compactação. Por exemplo, na compactação de aterros em valas abertas para colocação de canalizações.

• A classificação das placas é baseada na pressão estática no contacto placa-solo. A gama de placas existentes oscila entre valores de 10 kPa a valores superiores a 15 kPa.

Controlo da compactação

• É efectuado comparando os resultados obtidos no campo com os determinados em ensaios de referência realizados em laboratório.

• Filosofias de controlo:

– Controlo da execução do trabalho, ou seja controlo “à priori”;

– Controlo do trabalho terminado, ou seja controlo “àposteriori”.

Controlo “à priori”

• Controla-se o equipamento, o número de passagens, a espessura da camada, o teor em água e outras condições que se julguem necessárias para uma boa execução dos trabalhos.

Controlo à “posteriori”

• Controlam-se determinados parâmetros do solo após compactação, como sejam:

– Desvio do teor em água no campo em relação ao teor em água de referência definido em laboratório,

– grau de compactação em relação a uma determinada energia de compactação (E),

– compacidade relativa,

– percentagem de vazios de ar, etc.

Compactação relativa ou grau de compactação (Gc)

)E(G

dmáx

"insitu"dc

γ

γ=

Compacidade relativa (Dr) ou índice de compacidade (ID)*:

minmáx

"insitu"máxD

ee

eeI

−

−=

* Parâmetro mais usado para solos granulares.

Ensaios para controlo de compactação

• Determinação do teor em água:

– Ensaios de laboratório:• Método da estufa• Método dos infra-vermelhos

– Ensaios de campo:• Método do álcool• Método do “speedy”• Método radioactivo (fonte de neutrões)

Método da estufa

• O método da estufa é um método padrão e como tal dá resultados fiáveis.

• Todos os outros são métodos expeditos e devem ser objecto de calibração.

Método dos infra-vermelhos

• A secagem, efectuada através dos infravermelhos, é rápida (≈30 min) e suficientemente precisa.

• Este método é utilizado com pequenas tomas de solo, por exemplo as recolhidas do material usado nos ensaios para determinação dos limites de consistência.

Método do álcool

• É sobretudo utilizado em obra para a determinação rápida do teor em água de solos arenosos ou pouco coerentes.

• Não deve ser utilizado com solos orgânicos ou contendo alguma matéria orgânica, nem com solos contendo gesso.

Ensaio de speedy

• O ensaio de “speedy” consiste em fazer reagir com uma dada massa de solo uma certa quantidade de carboneto de cálcio.

• No interior de um recipiente a combinação da água do solo com essa substância dá origem à libertação de um gás (acetileno) que provoca um aumento de pressão, tanto maior quanto maior a quantidade de água existente no solo.

• Essa pressão é portanto uma medida do teor em água do solo.

Ensaio de speedy

• O ensaio de “speedy” é utilizado também em obra para a determinação rápida do teor em água de pequenas amostras de solo, encontrando-se limitada a sua aplicação a materiais granulares grosseiros.

• No caso dos materiais argilosos, a precisão dos resultados não será grande em virtude da dificuldade em conseguir separar as partículas do solo.

Método radioactivo

• Os equipamentos radioactivos utilizam uma fonte para emissão de radiações no solo e um receptor para contar as radiações recebidas depois de terem atravessado um determinado volume de solo.

• A perda de energia durante o atravessamento desse volume de solo está relacionada com as propriedades de interesse para o controlo de compactação que são: teor em água e massa volúmica.

Método radioactivo

• A medição do teor em água é feita por emissão de neutrões rápidos no solo, com determinada energia, que por colisão com os átomos de hidrogénio se transformam em neutrões lentos.

• Assim, quanto maior for o teor em água de um solo maior será o número de neutrões lentos contados no receptor.

Método radioactivo

• Anote-se que a correlação feita com a contagem de neutrões lentos é do teor em água volumétrico e não do teor em água ponderal.

• Assim, este valor terá de ser convertido no teor em água ponderal através da expressão seguinte:

θ−γ

θ=

h

w

Método radioactivo para medição do teorem água

EquipamentoEmissor

Receptor

Método radioactivo para medição do teorem água – Princípio do método

Determinação do peso volúmico seco ou damassa volúmica seca

• Principais métodos de ensaio:– Garrafa de areia;

– Volume de água deslocado;– Densitómetro de membrana ou método do

balão;

– Extractor ou anel volumétrico;– Método radioactivo (fonte de raios gama);

– Ensaio macro.

Métodos de garrafa de areia e do balão

• Permitem determinar o volume de cavidades abertas no solo (V).

• Pesando o solo retirado quando da abertura da cavidade (W) e determinando a respectivo teor em água (w) calcula-se o peso volúmico seco:

( )w1V

Wd

+=γ

Métodos de garrafa de areia

Métodos do balão - Volumímetro

Método do volume de água deslocado

• Permite determinar o volume de uma amostra recolhida do terreno e revestida com parafina.

• Com o volume, o peso da amostra e o teor em água pode-se determinar o peso volúmico seco.

Método do extractor ou do anel volumétrico

• Consiste em cravar no solo um molde metálico de dimensões conhecidas (volume interior igual ao volume da amostra de solo).

• Pesando o conjunto (molde + amostra de solo) e subtraindo o peso do molde obtém-se o peso do solo.

• Para obter o peso volúmico seco tem ainda de se determinar o teor em água.

Método radioactivo

• Baseia-se na emissão de raios gama no solo, com uma determinada energia, e contando aqueles que conseguem chegar ao receptor sem praticamente perderem energia.

• Assim, a contagem de raios gama serátanto menor quanto mais denso estiver o solo.

Método radioactivo

• Actualmente existem equipamentos que integram as duas fontes, uma de raios gama e outra de neutrões, permitindo obter o teor em água volumétrico e o peso volúmico húmido.

• Os números de contagem são convertidos no teor em água ponderal e no peso volúmico seco através das curvas de calibração.

Controlo da compactação com célula radioactiva

Peso volúmico e teor em água Peso volúmico

Emissor

Receptor EmissorReceptor

Ensaio macro

• Realiza-se em materiais com partículas de grandes dimensões, como os materiais de enrocamento ou misturas de solo enrocamento.

• Consiste na abertura de um poço com forma aproximadamente semi-esférica, de volume (V) superior a 5 vezes o diâmetro da maior partícula ou bloco.

Ensaio macro

Ensaio macro

• O material retirado do poço é colocado num camião para pesagem em báscula e o volume da escavação determina-se revestindo as paredes do poço com uma grande folha de polietileno e enchendo o mesmo com um volume de água medido por um contador.

• Pode-se assim calcular o peso volúmico húmido, e a seguir, com o conhecimento do teor em água, o peso volúmico seco.