ALTERNATIVA DE CONTROLE DA COMPACIDADE RELATIVA DE SOLOS NÃO- COESIVOS

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1 COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXVII SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS BELÉM PA, 0 A 07 DE JUNHO DE 2007 T100 A05 ALTERNATIVA DE CONTROLE DA COMPACIDADE RELATIVA DE SOLOS NÃO- COESIVOS Fabio de Oliveira PENNA Neto Engenheiro Líder do Laboratório de Materiais de Construção da UHE Tucuruí - Eletronorte Diyoiti SHINOHARA Técnico Especializado do Laboratório de Materiais de Construção da UHE Tucuruí - Eletronorte João Benedito Ribeiro de FARIAS Técnico Especializado do Laboratório de Materiais de Construção da UHE Tucuruí - Eletronorte Alfredo de Sousa SAMPAIO Técnico Especializado do Laboratório de Materiais de Construção da UHE Tucuruí - Eletronorte RESUMO Este estudo apresenta uma alternativa simples para obtenção da massa específica aparente seca máxima (índice de vazios mínimo), através do ensaio usual de compactação de solos na energia modificada. Para as areias naturais, fina, média e grossa, da região da UHE Tucuruí, os resultados são semelhantes aos conseguidos com a mesa vibratória eletromagnética, preconizada na NBR-12051/91 - Determinação do Índice de Vazios Mínimo de Solos Não-coesivos. Para os materiais estudados é apresentado também uma correspondência entre Grau de Compactação e Compacidade Relativa dos mesmos. ABSTRACT This study presents a simple alternative for obtaining the apparent maximum dry density (minimum voids index) through the usual soil compaction tests in modified energy. For the natural, fine, medium and coarse sands of the Tucurui area, similar results were found out with the electromagnetic vibrating table, as outlined in the standard NBR-12051/91 - determination of the minimum voids index of no cohesive soils. For the materials studied, a relation between Compaction Ratio and Relative Compactness is also presented. 1

2 1. INTRODUÇÃO A especificação técnica de construção da UHE Tucuruí descreve: O filtro de areia natural compactada será constituído de partículas limpas, duráveis e de qualidade uniforme. Deve apresentar coeficiente mínimo de permeabilidade de 10-2 cm/s nas condições de compactação alcançadas durante a construção e possuir no máximo 5% de finos (< que 0,075mm) em peso. Deve também atingir a compacidade relativa mínima de 42% e média inferior a 65% para filtro vertical e inclinado e igual ou superior a 65% para filtro horizontal [1]. Para a obtenção da compacidade relativa é necessário determinar o valor do índice de vazios mínimo, ou massa específica aparente seca máxima, conforme método NBR-12051/91 e o índice de vazios máximo, ou massa específica aparente seca mínima, determinado conforme NBR-12004/90 da ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. A realização dos ensaios mencionados exige laboratoristas qualificados e experientes, devido a detalhes minuciosos dos métodos, inclusive de calibração dos equipamentos. O custo da mesa vibratória eletromagnética, preconizada na NBR /91 é bastante elevado e o tempo gasto para realização dos ensaios supera 2 horas, o que pode impactar no tempo de liberação de camadas de construção dos filtros. De forma a superar a condicionante de tempo, no controle expedito da compacidade relativa da areia natural, utilizada na construção dos filtros da UHE Tucuruí, adotou-se valores médios de massa específica aparente seca máxima e mínima, determinados em ensaios realizados com amostras coletadas previamente e comparadas com a massa especifica aparente seca in-situ. O objetivo deste estudo foi então, encontrar uma forma mais simples para obtenção da massa específica aparente seca máxima, através do método usual de compactado de solos, que apresentasse valores iguais aos obtidos pelo método NBR-12051/91 e propor ao meio técnico a possibilidade de estabelecer parâmetros de controle da execução de filtros de areia natural em termos de grau de compactação e não de compacidade relativa. 2. ESTUDO 2.1 AREIAS NATURAIS UTILIZADAS Foram selecionados três tipos de areias naturais, com granulometrias classificadas, pela USCS, de areias fina, média e grossa. As amostras de areias fina e grossa foram ensaiadas para dar maior abrangência ao estudo, sabendo que a areia utilizada na construção dos filtros foi a de granulometria média. Na Figura 01, estão apresentadas as curvas granulométricas das amostras ensaiadas, com a respectiva faixa especificada da areia para execução de filtros na UHE Tucuruí e os valores correspondentes da massa específica dos grãos. 2

3 Peneiras N 1" /4" 1/2" /8" 4 º Areia Grossa Passante Porcentagem que Passa Areia 100 Média Passante Areia Fina Passante 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 97,8 99,1 100,0 96,8 98,7 100,0 92,7 97,6 99,8 81,1 94,1 99,5 77,0 89,4 99,0 62, 72, 94,2 28,6,1 79, PORCENTAGEM QUE PASSA PORCENTAGEM QUE PASSA PENEIRAS (ASTM) Nº /8" 1/2" /4" 1" 11/2" 2" " 4" 6" ,001 0,01 0, , 6,1 7, Legenda: Material Areia Grossa Areia Média Areia Fina Diâmetro dos grãos (mm) Faixa Especificada UHE Tucuruí Massa Esp. dos Grãos 2,659 g/cm 2,660 g/cm 2,661 g/cm PORCENTAGEM RETIDA ,5 0,5 10,7 0,1 0,1 4,1 USCS SILTE AREIA PEDREGULHO FINA MEDIA GROSSA FINO GROSSO FIGURA 1: Curvas granulométricas das areias utilizadas no estudo. 2.2 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS Na seqüência apresentamos as Figuras 2 e com fotos e descrição dos equipamentos utilizados no estudo FIGURA 2 Conforme descrição FIGURA Conforme descrição

4 Figura 2: Mesa vibratória eletromagnética de aço, com vibração vertical acionada por um vibrador eletromagnético do tipo impacto sólido, de massa maior que 45kg. Deslocamento senoidal com o tempo, de amplitude dupla média (deslocamento pico a pico) de 0, + 0,05mm com freqüência de 60Hz. Possui ajustamento de freqüência de vibração entre 0 e 60Hz. Acompanha: molde cilíndrico metálico padrões, tubo guia, disco base, sobrecarga, alça com rosca. Ensaio: NBR /1991. Figura : 1 Cilindro metálico pequeno (cilindro de proctor) composto de: molde cilíndrico Ø ,4mm, altura 127, + 0,mm e volume igual a cm ; base e cilindro complementar de mesmo diâmetro (colarinho). Ensaio: NBR- 7182/ Soquete pequeno, metálico com massa de ( )g e dotado de dispositivo de controle de altura de queda (guia), que é de (05 + 2)mm. Dimensões conforme figura da NBR-7182/86, Solo - Ensaio de Compactação. Soquete grande, metálico com massa de ( )g e dotado de dispositivo de controle de altura de queda (guia), que é de (457 ± 2)mm. Dimensões conforme figura 4 da NBR-7182/86, Solo - Ensaio de Compactação. 4 Soquete de compactação de aço, com 4.540g de massa e uma altura de queda livre de 457,2mm. A face de compactação no pé do soquete é plana e circular, conforme figura 2 da NBR-12891/9, Dosagem de Misturas Betuminosas pelo Método Marshall. 2. PROCEDIMENTOS E MÉTODOS DE ENSAIOS De inicio, o objetivo desse estudo foi o de compactar a areia conforme o método de ensaio de compactação para solo, em cilindro pequeno, sem a preocupação da definição da curva de compactação, mas sim, a obtenção da massa especifica aparente seca máxima. As variações da energia de compactação se deram, pelo fato de desconhecer, a priori, em qual energia, molde cilíndrico e soquete, a massa especifica aparente seca máxima seria semelhante à compactada na mesa vibratória. Na Tabela 1 a seguir são apresentadas as energias de compactação aplicadas. 4

5 Cilindro Soquete Características Inerentes a Cada Energia Energia de Compactação Normal Intermediária Modificada Pequeno Conforme Soquete Pequeno Grande Grande NBR-7182 Compactação Número de Camadas 5 de Solo Número de Golpes por Camada Conforme NBR Compactação Concreto Soquete Marshall Marshall Marshall Número de Camadas 5 Asfáltico Número de Golpes por Camada TABELA 1: Energias de compactação aplicadas nas areias O soquete Marshall é utilizado para compactação de concreto asfáltico. A altura de queda livre e a massa são idênticas à do soquete grande utilizado na compactação de solos, com exceção da face de compactação, que no pé do soquete é plana e circular com diâmetro de 98,4mm. A Tabela 2 abaixo, apresenta os métodos e as quantidades dos ensaios realizados por material. Material Método de Ensaio Areia Fina Areia Média Areia Grossa NBR Solo - Análise Granulométrica 9 NBR Solo - Determinação da Massa Especifica dos Grãos de Solos NBR Solo - Ensaio de Compactação na Energia Normal, Intermediária e Modificada NBR Solo - Ensaio de Compactação com Soquete Marshall na Energia Normal e Intermediária NBR Solo - Determinação do Índice de Vazios Mínimo de Solos Não-coesivos Método A-1 e A NBR Solo - Determinação do Índice de Vazios Máximo de Solos Não-coesivos Método A 9 TABELA 2: Métodos e quantidades dos ensaios realizados por material. RESULTADOS.1 REGISTRO DOS ENSAIOS EXECUTADOS PARA CADA AMOSTRA DE AREIA Na Tabela, estão os valores da massa especifica aparente seca máxima obtidos para cada tipo de areia, conforme o método da mesa vibratória e, compactadas nas energias normal, intermediária e modificada. Estão também incluídos na tabela, a 5

6 massa específica aparente seca máxima obtida no estado úmido, método A-2 da NBR e a mínima conforme método A da NBR Tipo de Material Areia Fina Natural Ensaio Nº Determinação da Massa Esp. Aparente Seca γ s Máxima NBR /91 Método A.1 Seco (g/cm ) Método A.2 Umido (g/cm ) γ s Mínima NBR /90 Método A (g/cm ) γs máx. (g/cm ) Ensaio de Compactação NBR-7182/86 Energia Ensaio de Compactação NBR-7182/86 Compactado com Soquete Marshall Energia Normal Intermediária Modificada Normal Intermediária Modificada Ótima γs máx. (g/cm ) Ótima ( % ) 01 1,805 1,701 1,548 1,719 Seca 1,779 Seca 1,801 Seca 1,764 Seca 1,779 Seca 1,806 Seca 02 1,806 1,700 1,545 1,728 Seca 1,76 Seca 1,781 Seca 1,761 Seca 1,782 Seca 1,794 Seca 0 1,815 1,698 1,555 1,746 Seca 1,752 Seca 1,787 Seca 1,752 Seca 1,779 Seca 1,800 Seca Média 1,809 1,700 1,549 1,71 Seca 1,765 Seca 1,790 Seca 1,759 Seca 1,780 Seca 1,800 Seca γs máx. (g/cm ) Ótima ( % ) γs máx. (g/cm ) Ótima γs máx. (g/cm ) Ótima ( % ) γs máx. (g/cm ) Ótima ( % ) 01 1,88 1,74 1,585 1,796 Seca 1,780 Seca 1,800 Seca 1,766 Seca 1,817 Seca 1,85 Seca 02 1,846 1,76 1,594 1,784 Seca 1,785 Seca 1,808 Seca 1,787 Seca 1,807 Seca 1,840 Seca 0 1,847 1,756 1,598 1,79 Seca 1,806 Seca 1,821 Seca 1,778 Seca 1,816 Seca 1,87 Seca Areia Média Natural 04 1,84 1,75 1,597 1,781 Seca 1,784 Seca 1,812 Seca 1,776 Seca 1,811 Seca 1,84 Seca 05 1,848 1,781 1,594 1,775 Seca 1,782 Seca 1,82 Seca 1,788 Seca 1,820 Seca 1,84 Seca 06 1,850 1,74 1,595 1,780 Seca 1,787 Seca 1,824 Seca 1,782 Seca 1,817 Seca 1,85 Seca 07 1,848 1,76 1,617 1,786 Seca 1,797 Seca 1,818 Seca 1,799 Seca 1,812 Seca 1,855 Seca 08 1,847 1,749 1,614 1,812 Seca 1,800 Seca 1,8 Seca 1,80 Seca 1,844 Seca 1,867 Seca 09 1,866 1,749 1,609 1,794 Seca 1,808 Seca 1,840 Seca 1,796 Seca 1,81 Seca 1,857 Seca Média 1,848 1,750 1,600 1,789 Seca 1,792 Seca 1,820 Seca 1,786 Seca 1,819 Seca 1,847 Seca Areia Grossa Natural 01 1,914 1,817 1,686 1,860 Seca 1,869 Seca 1,894 Seca 1,885 Seca 1,894 Seca 1,929 Seca 02 1,910 1,825 1,68 1,86 Seca 1,870 Seca 1,899 Seca 1,881 Seca 1,896 Seca 1,92 Seca 0 1,916 1,816 1,679 1,858 Seca 1,87 Seca 1,896 Seca 1,879 Seca 1,902 Seca 1,90 Seca Média 1,91 1,819 1,68 1,860 Seca 1,871 Seca 1,896 Seca 1,882 Seca 1,897 Seca 1,90 Seca TABELA : Massa específica aparente seca máxima e mínima das areias estudadas. Observar a semelhança dos valores de massa específica aparente seca máxima médios, obtidos na Mesa Vibratória e os obtidos compactados com Soquete Marshall e Soquete Grande, na energia modificada..2 GRÁFICOS - MASSA ESPECIFICA APARENTE SECA (g/cm ) X UMIDADE As Figuras 4, 5 e 6 mostram os gráficos de massa específica aparente seca (g/cm ) em função do teor de umidade das amostras de areias. Estes valores correspondem a médias de, 9 e ensaios realizados para cada teor de umidade, respectivamente para a areia fina, média e grossa. Lembrando que a areia utilizada na execução dos filtros da UHE Tucuruí foi a de granulometria média. Observar que os pontos de massa específica aparente seca máxima ocorreram sempre com teor de 0% de umidade para todas as alternativas estudadas. 6

7 Massa Esp. Massa Apar. Seca (g/cm ) 1,9 1,8 1,7 1,6 Compactado com Soquete Marshall nas Três Energias 1,800 g/cm Energia Normal Energia Intermediaria Umidade Massa Esp. Massa Apar. Seca (g/cm ) 1,9 1,8 1,7 1,6 Compactado com Soquete Pequeno na Energia Normal e Soquete Grande na Energia Intermediária e Modificada 1,790 g/cm Energia Normal Energia Intermediaria Umidade FIGURA 4: Ensaio de compactação - material areia fina natural (média de três ensaios) Massa Esp. Massa Apar. Seca (g/cm ) 1,9 1,8 1,7 1,6 1,847 g/cm Compactado com Soquete Marshall nas Três Energias Energia Normal Energia Intermediaria Umidade Massa Esp. Massa Apar. Seca (g/cm ) 1,9 1,8 1,7 1,6 1,820 g/cm Compactado com Soquete Pequeno na Energia Normal e Soquete Grande na Energia Intermediária e Modificada Energia Normal Energia Intermediaria Umidade FIGURA 5: Ensaio de compactação - material areia média natural (média de nove ensaios) 7

8 Massa Esp. Massa Apar. Seca (g/cm ) 2,0 1,9 1,8 1,7 1,90 g/cm Compactado com Soquete Marshall nas Três Energias Energia Normal Energia Intermediaria Umidade Massa Esp. Massa Apar. Seca (g/cm ) 2,0 1,9 1,8 1,7 1,896 g/cm Compactado com Soquete Pequeno na Energia Normal e Soquete Grande na Energia Intermediária e Modificada Energia Normal Energia Intermediaria Umidade FIGURA 6: Ensaio de compactação - material areia grossa natural (média de três ensaios). EQUAÇÕES..1 Compacidade Relativa Para os solos não-coesivos, os índices de vazios máximo e mínimo constituem-se nos parâmetros básicos para avaliação do estado de compacidade. A compacidade relativa fornece uma indicação do estado de compacidade de uma determinada massa de solo, seja uma ocorrência natural, ou seja construída pelo homem é o que descreve a NBR-12051/91. A compacidade relativa pode ser calculada como segue: CR = e e máx - e - e máx mín x 100 ou CR γ (γ - γ ) s máx s s mín = x 100 (1) γ (γ - γ ) s s máx s mín Onde: CR = Compacidade Relativa ; e = índice de vazios em relação ao in-situ ; e máx = índice de vazios máximo; e mín = índice de vazios mínimo; γ s máx = massa específica aparente seca máxima da amostra do solo (g/cm ); γ s mín = massa específica aparente seca mínima da amostra do solo (g/cm ); 8

9 γ s = massa especifica aparente seca in-situ (g/cm )...2 Grau de Compactação É a relação entre a massa específica aparente seca (g/cm ) in-situ do solo e a massa específica aparente seca máxima de laboratório, em uma determinada energia de compactação. O cálculo do GC é feito utilizando a expressão abaixo: GC = γ s "in-situ" γ s máx x 100 (2) Onde: GC = Grau de Compactação ; γ s in-situ = massa especifica aparente seca in-situ (g/cm ); γ s máx = massa especifica aparente seca máxima de laboratório (g/cm )... Energia de compactação (Laboratório) É a energia empregada por unidade de volume de solo compactado, em um método dinâmico de compactação qualquer. É dada pela equação a seguir: Ρ.Η.n.Ν Ε = () V Onde: E = Energia de Compactação (kg cm/cm ); P = massa do soquete empregado (kg); n = número de camadas; H = altura de queda do soquete (cm); N = número de golpes por camada; V = volume do molde cilíndrico (cm ). Nota: A energia aplicada com soquete Marshall neste estudo, é a mesma energia citada na tabela do ítem 4.1. da norma NBR O soquete Marshall tem o mesmo peso e a mesma altura de queda do soquete grande..4 RELAÇÃO COMPACIDADE RELATIVA (CR) X GRAU DE COMPACTAÇÃO (GC) A areia natural utilizada na construção dos filtros da UHE Tucuruí, foi a mesma areia média natural apresentada neste estudo. Portanto, ela será utilizada como exemplo da relação CR x GC. O valor da densidade máxima obtida pela mesa vibratória foi de 1,848g/cm e pela compactação manual com soquete Marshall, na energia modificada, de 1,847g/cm. Adotaremos como valor da densidade máxima para os dois métodos, o valor de 1,848g/cm e a mínima de 1,600g/cm. 9

10 Aplicando as equações do item.. para cálculo de CR e GC, com γ s in-situ simulado, temos a correlação CR x GC mostrada na Tabela 4, a seguir. γ s in-situ CR GC (g/cm ) 1, ,6 1, ,8 1, ,0 1, ,2 1, ,5 1, ,8 1, ,8 1, ,2 1, ,9 1, ,6 1, ,0 1, ,5 1, ,0 TABELA 4: Correlação CR x GC Observações GC de 86,6% corresponde a CR de 0% Especificação UHE Tucuruí para o filtro vertical: CR > 42% e média de CR < 65%. O GC seria de 91,8% a 94,9%. 4. CONCLUSÕES a) A média da massa especifica aparente seca máxima, compactada com soquete Marshall e soquete grande, na energia modificada é muito semelhante à da média obtida, do mesmo material, adensado na mesa vibratória (NBR-12051/91); b) O método de ensaio NBR-12051/91 no item 6.2. descreve: Considerar satisfatórios os valores da massa especifica aparente seca obtidas que não diferem, da correspondente média, de mais de 1,5% ou 2,5%, respectivamente para areia fina a média ou para outra, dependendo do material que tenha sido ensaiado. Considerando então, somente os valores médios obtidos na mesa vibratória e, compactados manualmente na energia modificada com soquete Marshall e soquete grande em molde pequeno, obtemos os resultados mostrados na Tabela 5: 10

11 Tipo de Material NBR-12051/91 Mesa Vibratória γ s máx (g/cm ) Soquete Marshall NBR γ s máx (g/cm ) Soquete Grande NBR-7182 γ s máx (g/cm ) Diferença Compactação Manual e Vibratória Soquete Marshall Soquete Grande Especificação na NBR /91 Areia Fina Natural 1,809 1,800 1,790-0,5-1,1 + 1,5 Areia Média Natural 1,848 1,847 1,820-0,1-1,5 + 1,5 Areia Grossa Natural 1,91 1,90 1, ,8-0,1 + 2,5 TABELA 5: Comparativo das médias de massa específica aparente seca máxima As três amostras estudadas estão com os valores dentro das tolerâncias especificadas, compactando-se com soquete Marshall e soquete grande. c) A massa especifica aparente seca máxima obtida com soquete Marshall e soquete grande se deu, nas três amostras, no ponto seco, como também a obtida pela mesa vibratória pelo método A-1 (material seco). d) O tempo para execução da compactação manual na energia modificada é de 45 minutos para três pontos e, na mesa vibratória, de 120 minutos. Diferença de 75 minutos. e) O próprio material coletado na determinação da densidade in-situ é utilizado no ensaio de compactação, sem impactar no tempo de liberação da camada. f) Menor custo dos equipamentos para obtenção da massa especifica seca máxima: uma mesa vibratória (preço de julho de 2006) é de R$ ,00; soquete Marshall R$ 696,00; soquete grande CBR R$ 174,00 e molde cilíndrico pequeno R$ 192,00. g) Adotando-se o grau de compactação como parâmetro de controle da qualidade do filtro, eliminam-se certas dúvidas com relação a valores muito baixos de compacidade relativa. Como mostrado no item.4, por exemplo, CR 0% é igual a um GC de 88,1%. h) O próprio método de determinação do índice de vazios máximo de solos nãocoesivos, (NBR-12004/90) no item.2, descreve: Um índice de vazios máximo absoluto não é necessariamente obtido pelos métodos especificados nesta norma. i) Como mostrado na Figura 7, devido ao fenômeno do inchamento das areias com a umidade, o γ s pode apresentar valores muito menores que a massa específica aparente seca mínima, determinada conforme NBR-12004/90, levando a valores de CR negativos, o que pode causar estranheza aos menos avisados. 11

12 Massa Esp. Apar. Seca g/cm ) 1, , , , , , , , , , , , , , , 8 0 1, 6 0 1, 4 0 1, 2 0 1, 0 0 1, ,2 6 0 Densidade mínima obtida conforme NBR (via seca como determina o método) 1,64 g/cm. 1,276 g/cm (via úmida) Teor de Umidade FIGURA 7: Massa específica aparente seca j) Quando da execução de filtros de areia deve ser adotado, sempre que possível, a compactação do material no estado seco, tendo em vista que a compacidade requerida é atingida com aplicação de menos energia de compactação. 5. AGRADECIMENTOS À Eletronorte - ETC - Gerência das Obras da Expansão da UHE Tucuruí, pelo incentivo e apoio dado a esta pesquisa e elaboração do trabalho. À Equipe de Laboratório de Materiais de Construção da Eletronorte - ETCCM, pela realização dos ensaios apresentados neste trabalho e ao técnico Adelmar M. Pinto pela elaboração gráfica do mesmo. Ao Engenheiro Oscar Machado Bandeira pela versão em inglês do resumo do trabalho. 6. PALAVRAS-CHAVE Compacidade relativa, Grau de compactação, Areia, Soquete, Mesa vibratória. 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Consórcio Engevix-Themag (1998) - Especificações Técnicas DT-TUC-015 Anexo VI Barragem de Terra e Enrocamento, UHE Tucuruí - Projeto Executivo. 12

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