universidade do estado de mato grosso curso de...

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

2. E

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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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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

Física

Térmica

Eletrocinética

Mecânica

Compactação

Substituição dematerial

Química

Adição de aditivosquímicos (cal,

cimento,betume...)


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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


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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)


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Compactação


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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)


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Compactação

Conceito


Gasosa

Líquida

Sólida

Gasosa

Líquida

Sólida

Esforço de compactação

Antes da compactação Após a compactação

Variação de volume

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Compactação

Objetivo


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)


wot w (%)

γd

γd max

Ramoseco

Ramoúmido

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Compactação

Solos coesivos


w (%)

γd

Ramoseco

Ramoúmido

A compactaçãotem pouco ounenhum efeito

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Compactação

Solos coesivos


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:


γd max

wot

Argilosos Siltosos Arenosos

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Compactação


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


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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


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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


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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


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Estrutura


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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


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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


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Estrutura

Michel e Soga, 2005


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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


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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


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Solos não coesivos


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


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


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


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F

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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


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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)


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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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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


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Compressibilidade


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Retração


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Resistência


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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


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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


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Tipos de compactadores

Rolo liso

Rolo de pneus

Rolo pé-de-carneiro

Rolos vibratórios

Compactadores manuais (tipo sapo)


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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


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Rolos lisos


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Rolos lisos

Influência do número de passadas


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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


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Rolos de pneu


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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


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Rolos pé-de-carneiro


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Rolos vibratórios


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Compactadores manuais


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Seleção do equipamento


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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


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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


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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


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Exemplo

Dalla Roza e Crispim (2013)


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Exemplo



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