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: vitoriaeng@yahoo.com.br

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: