aula v - compatação - mecânica dos solos

Professor Dr. Leandro Neves Duarte

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO MATO GROSSO – UFMT CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO ARAGUAIA

INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA - ICET

Aula V – Compactação

Mecânica dos Solos

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Introdução

Universidade Federal do Mato Grosso/CUA/ICET/EC

Fonte – adaptado de Barbosa, P.S.A, DEC/UFV)

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Introdução


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Introdução


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Introdução


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Introdução


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Introdução


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Definições


Nas situações em que às características mecânicas dos solos em suas condições naturais

não atendam às propriedades de um projeto, há a necessidade de melhoria das

características desses solos concernentes ao projeto.

A compactação é um processo que visa melhorar as propriedades do solo através da

redução dos seus vazios pela aplicação de pressão, impacto ou vibração, além disso torna o

maciço mais homogêneo. Esta operação resulta no aumento da massa específica aparente

do solo.

Com diminuição dos vazios, espera-se uma tendência de redução da variação dos teores de

umidade, da compressibilidade, da permeabilidade e aumento da resistência ao

cisalhamento.

Solo não-compactado Solo compactado


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Embora a compactação seja prática corrente de longa data, somente na década de 30 foram

estabelecidos, por R. R. Proctor e O. J. Porter, os princípios que regem a compactação dos

solos.

Chama-se energia ou esforço de compactação (Ec) o trabalho realizado executado durante o

processo de compactação de uma amostra de solo de volume final V, sendo representado

como se segue:

Defini-se energia de compactação pela expressão:

A compactação é um processo de estabilização de solos utilizado em diversos tipos de obras de

engenharia, notadamente em aterros rodoviários e barragens de terra, em que o solo é o

próprio material resistente ou de construção.

V

NcNgHMEc

...

Onde, M a massa do soquete, H a altura de queda do soquete, Ng o número de golpes por

camada, Nc o número de camadas e V o volume de solo compactado.

Definições


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Compactação e consolidação


Durante o processo de compactação dos solos, o seu teor em água mantém-se praticamente

constante, sendo esta característica frequentemente referida como a principal diferença entre

a compactação e a consolidação de solos.

Na consolidação também se deseja a redução do índice de vazios e da compressibilidade dos

solos.

Entretanto, esse objetivo é conseguido, fundamentalmente, à custa da expulsão da fase

líquida, havendo uma apreciável alteração do teor em água dos solos argilosos durante o

processo.

A consolidação está frequentemente associada a processos relativamente lentos, provocados

pela atuação de uma solicitação estática e contínua, que dá origem à aproximação

progressiva das partículas, ao mesmo tempo que se verifica o escoamento (expulsão) da fase

líquida.

Pelo contrário, a compactação é geralmente entendida como um processo rápido, com a

aplicação de cargas variáveis no tempo, através do qual se procura alterar a estrutura do solo,

de forma a criar um novo tipo de arrumação das partículas.

Definições


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O procedimento para a compactação dos solos consiste em compactar com esforço de

compactação padrão amostras de solos com diferentes teores de umidade e volume final V

iguais.

A compactação dos solos é geralmente representado em um gráfico da variação da massa

específica aparente seca (rd). versus o teor de umidade (w) correspondente durante o

processo de compactação.

Definições


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14 16 18 20 22 24 26

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

W (%)

rd (

kg

/m³)

A curva de compactação apresenta geralmente a seguinte forma:

Definições

Curva de Compactação


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Nesta curva pode-se observar que existe um ponto (teor de umidade) em que a densidade do

solo é máxima.

Esses valores são denominados de teor de umidade ótimo (wótimo) e massa específica aparente

seca máxima (rdmáx).

14 16 18 20 22 24 26

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

rdmax

Wot

W (%)

rd (

kg

/m³)


Definições

Curva de Compactação

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Ensaios de Compactação


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Ensaio de compactação (NBR - 7182)


O ensaio conhecido como Proctor Normal (AASHTO Standard) consiste em compactar uma

amostra dentro de um recipiente cilíndrico, com aproximadamente 1000 cm³, em três camadas

sucessivas, sob a ação de 26 golpes de um soquete, pesando 2,5 kg, caindo de 30 cm de

altura.

O ensaio é repetido para diferentes teores de umidade, determinando-se, para cada um deles,

a massa específica aparente seca. Com os valores obtidos traça-se a curva rd versus w.

Para o traçado da curva é conveniente a determinação de aproximadamente 5 pontos,

procurando-se fazer com que dois deles se encontrem no ramo seco, um próximo à umidade

ótima e outros dois no ramo úmido.

O ensaio pode ser realizado com ou sem reuso do material.


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Papel filtro

1ª CAMADA


18



1ª CAMADA

Papel filtro

2ª CAMADA

escarificação


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2ª CAMADA

escarificação

3ª CAMADA


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Após a compactação o molde é removido da base para que o conjunto seja pesado e se

possa determinar sua massa específica.



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Energia de compactação


Cilindro Características inerentes a cada

energia de compactação

Energia

Normal Intermediária Modificada

Pequeno

Soquete Pequeno Grande Grande

Número de camadas 3 3 5

Número de golpes por camada 26 21 27

Tendo em vista o maior peso dos equipamentos de compactação atuais e necessidade de

esforços de compactação maiores surgiu o ensaio modificado de Proctor, com amostra

compactada em cinco camadas sob um peso do soquete maior.

Posteriormente foi adotada uma energia de compactação intermediária aos ensaios de Proctor

normal e modificado.



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Curvas de Compactação

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Estando o solo num teor de umidade (w), após a compactação tem-se:

Massa específica aparente úmida:

Massa específica aparente seca:

V

Mr

wV

M

wd

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rr

Compactação de laboratório



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O procedimento para a compactação dos solos visa obter, para um dado solo e esforço de

compactação, o mesmo volume V para diferentes teores de umidade. Assim, traça-se a curva

de compactação, determinando-se a partir dela o teor de umidade ótimo (Wot) e a massa

específica aparente seca máxima (rdmax).

14 16 18 20 22 24 26

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

rdmax

Wot

rd (

kg

/m³)




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Recomenda-se determinar a curva de saturação, utilizando-se a expressão:

wSr

Sr

SW

SWd

..

..

rr

rrr

Sr=0,7 Sr=0,8 Sr=0,9 Sr=1,0

rdmax

14 16 18 20 22 24 26

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

Wot

W (%)

rd (

kg

/m³)

Os pontos ótimos das

curvas de compactação se

situam em torno de 80 a

90% de saturação




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Para um dado solo, compactado com o mesmo método, quanto maior for a energia de

compactação, maior será a rdmáx e menor a wot.

O lugar geométrico dos vértices das curvas obtidas com diferentes esforços de compactação é

chamada de linha de ótimos.

A linha dos ótimos separa os ramos secos e dos úmidos das diversas curvas de compactação.

rd

W (%)

Sr=100%

Modificado

Intermediário

Normal




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rd

W (%)

areias

Solo areno-argiloso

Solo argilo-arenoso

Argila plástica

Valores típicos

Solos argilosos – Wot : 25 a 30% e gdmax: 14 a 15 kN/m³

Areias com predregulho bem graduadas – Wot : 9 a 10% e gdmax: 20 a 21 kN/m³

Areias finas argilosas lateríticas – Wot : 12 a 14% e gdmax: 19 kN/m³

Solos siltosos – valores baixos para gdmax e curvas bem abatidas




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O ramo ascendente da curva de compactação é denominado ramo seco e o descendente de

ramo úmido.

No ramo ascendente, a água lubrifica as partículas e facilita o arranjo destas, ocorrendo, por

esta razão, o acréscimo da massa específica aparente seca.

Já no ramo descendente, a água amortiza a compactação e a amostra passa a ter mais água

que sólidos, levando a um decréscimo da massa específica.

Interpretação da curva de compactação



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Compactação de Campo

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Os princípios que regem a compactação no campo são semelhantes aos de laboratório,

entretanto, pode ser destacado:

não há, necessariamente, igualdade entre as energias de compactação no campo e em

laboratório, conduzindo a um mesmo gd para um dado teor de umidade e isto se deve,

principalmente, às diferenças de confinamento do solo, no campo (em camadas) e no

laboratório (no interior de um cilindro);

os equipamentos de compactação conduzem a linha de ótimos diferentes das de

laboratório, podendo estar mais ou menos próximas das linhas de saturação;

os teores de umidade (W) de campo e de laboratório podem ser diferentes para um

mesmo gd de um mesmo material e

são diferentes as estruturas conferidas ao solo no campo e em laboratório, o que

repercute diretamente nas estabilidade alcançada.

Compactação em campo


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Para um dado equipamento, a energia ou esforço de compactação é diretamente proporcional

ao número de passada e inversamente proporcional à espessura da camada compactada.

Na compactação de campo, diz-se que houve uma passada do equipamento quando este

executou uma viagem de ida e volta, em qualquer extensão, na área correspondente a sua

largura de compactação.

A energia de compactação no campo pode ser aplicada, como em laboratório, de três maneiras

diferentes, em ordem decrescente da duração das tensões impostas:

pressão

impacto

vibração



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As curvas de compactação para os equipamentos e o número de passadas desempenha o

mesmo papel que o número de golpes de soquete em laboratório.

O aumento contínuo do número de passadas não acarreta um aumento contínuo de gd. O

número limite de passadas depende do material compactado, do tipo de equipamento, do teor

de umidade e da espessura da camada compactada.



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Equipamentos de compactação


Compactadores de impacto ou de vibração

Compactador de percussão (sapo)

Placa vibratória Placa vibratória



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Rolos estáticos, compreendendo os rolos lisos de rodas de aço, de pneumáticos e os rolos pé-

de-carneiro

Rolo pneumático

Rolo liso Rolo pé de carneiro




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Rolos vibratórios

Rolos combinados de tipos básicos, como por exemplo, rolo pé-de carneiro com

dispositivo vibratório.

Rolo vibrador de pé-de-carneiro




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Para comprovar se a compactação está sendo feita devidamente, deve-se determinar

sistematicamente a umidade e a massa específica aparente do material.

Para esse controle pode-se utilizar o speedy ou o método da frigideira na determinação da

umidade e o processo de frasco de areia na determinação da massa específica.

Chama-se Grau de Compactação ao quociente resultante da divisão da massa específica

obtida no campo, pela máxima massa específica obtida no laboratório.

100xGClabd

campod

g

g

Não sendo atingida a compactação desejada, a qual não deverá ser inferior a determinado

valor do grau de compactação (fixada pela especificação adotada), o material será revolvido

e recompactado.

Controle de compactação



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Executa-se um furo de 10 cm de diâmetro por 15 a 20 cm de altura, retirando-se

cuidadosamente o solo, e determina-se o peso úmido (W) do material que ocupava o volume (V)

do furo, que não se conhece. Para o cálculo do peso específico natural (g), resta a

determinação deste volume.

A diferença de peso, antes e depois do enchimento do furo observada no frasco de areia,

dividido pelo peso específico da areia (g areia), fornece o volume V procurado.




Frasco de areia ABNT/NBR 7185/86

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O amostrador é um cilindro oco, com a parte inferior em bisel e cujas dimensões internas são

conhecidas, permitindo o cálculo do volume V. O amostrador é cravado no solo por percussão,

retirando-se a amostra cujo peso úmido é W. Conhecendo-se o teor de umidade da amostra,

calcula-se o peso seco da amostra e determina-se diretamente gd campo.

Este processo tem a vantagem de trabalhar com a amostra não perturbada, o que daria maior

precisão ao método.



Método do amostrador (ABNT/NBR 9813/87 - Determinação da massa específica)

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Exercício:


Os dados de laboratório para um ensaio Proctor normal estão relacionados abaixo. Determine a curva de compactação, o peso específico seco máximo em (kN/m3) e o teor de umidade ótimo.

Volume do Molde Proctor

(ft3)

Peso solo úmido no molde (lb)

Teor de umidade

w(%)

1/30 3,88 12 1/30 4,09 14 1/30 4,23 16 1/30 4,28 18 1/30 4,24 20 1/30 4,19 22

2) Com base nos dados acima e após o ensaio do cilindro, para verificação da compactação de campo, obteve-se os seguintes dados: Peso do solo úmido: 7,9 lb Volume do cilindo : 0,0649 ft3

Teor de umidade da amostra: 16,2% Pergunta-se, qual o grau de compactação do solo?

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Referências Bibliográficas

Barbosa, P.S.A. Notas de Aula. UFV: Curso de Engenharia Civil, 2009.

Braja, M. D. Fundamentos de Engenharia Geotécnica. 1ª ed. Cengage Learning.

2007.

CRAIG, R. F. Mecânica dos Solos, 7ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007.

Ortigão, J.A.R. Introdução à Mecânica dos Solos dos Estados Críticos. 3ª ed. Rio

de Janeiro. LTC.2007.

Pinto, C.S. Curso Básico de Mecânica dos Solos. 3ª ed. Oficina de Textos. 2006.

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