Notas de aulas de Mecânica dos Solos I (parte 10)

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1 1 Notas de aulas de Mecânica dos Solos I (parte 10) Helio Marcos Fernandes Viana Tema: Compactação de solos e algumas causas de recalques Conteúdo da parte 10 1 Introdução 2 Curva de compactação 3 Ensaio de compactação tipo Proctor 4 Peculiaridades da curva de compactação 5 Equipamentos de compactação de campo 6 Comparação entre alguns processos de compactação 7 Controle de compactação 8 Determinação da quantidade de água a ser adicionada a uma amostra de solo, que está na umidade higroscópica; Para que a amostra de solo atinja uma nova umidade além (ou acima) da umidade inicial ou higroscópica 9 Algumas causas de recalques

2 2 1 Introdução 1.1 Definição de compactação de solo A compactação do solo pode ser entendida como uma ação mecânica, por meio da qual se impõe ao solo uma redução no seu índice de vazios (e = Volume de vazios / Volume de sólidos). Em geral, na compactação, a redução do índice de vazios ocorre pela expulsão de ar dos poros do solo num processo artificial de curta duração. OBS(s). a) O processo de compactação é artificial, pois, geralmente, conta com a participação do ser humano; e b) Poros podem ser compreendidos como espaços, ou orifícios entre as partículas do solo. 1.2 Importância da compactação A compactação do solo causa melhoria nas qualidades hidráulicas e mecânicas do solo, entre estas melhorias pode-se citar que a compactação causa: a) Acréscimo à resistência ao cisalhamento do solo; b) Aumento da resistência à compressão do solo; c) Diminuição da deformabilidade do solo, ou seja, o aumento do módulo tangente inicial do solo (E 0 ); d) Redução da compressibilidade do solo; e) Redução da permeabilidade do solo; e f) Aumento do módulo de resiliência do solo. 1.3 Tipos de compactação utilizados no campo Os tipos de compactação utilizados no campo podem ser manuais ou mecânicas, as quais são apresentadas como se segue: i) Processos de compactação manuais Nos processos de compactação manuais, utilizam-se soquetes, e a energia de compactação é aplicada ao solo mediante a golpes manuais, sobre as camadas de solo. ii) Processos de compactação mecânicos Nos processos de compactação mecânicos a energia de compactação é aplicada ao solo por meio de máquinas.

3 3 Nos processos de compactação mecânicos são utilizados: a) Soquetes mecânicos; b) Rolos estáticos lisos ou dentados; e c) Rolos vibratórios. 1.4 Tipos de compactação utilizados nos laboratórios Os principais tipos de compactação utilizadas nos laboratórios são: i) Compactação dinâmica, por impacto ou tipo Proctor; ii) Compactação de amassamento; e iii) Compactação estática. A seguir, descreve-se sucintamente ou resumidamente as principais características destes processos de compactação. i) Compactação dinâmica, por impacto ou tipo Proctor; Procedimentos: a) Paulatinamente, em camadas, coloca-se o solo num molde cilíndrico; b) Ao longo do processo de compactação, cada camada de solo recebe um número específico de golpes, aplicados com um soquete, até o preenchimento do molde cilíndrico; e c) Observa-se que as camadas de solo devem possuir alturas aproximadamente iguais. ii) Compactação de amassamento; Procedimentos: a) De camada em camada, preenche-se o molde do corpo-de-prova com o solo; b) Nesse procedimento, cada camada de solo depositada no molde é empurrada, um número preestabelecido de vezes, com um amassador em uma pressão específica; e c) A norma AASHTO T recomenda a utilização de cinco camadas de igual massa na moldagem dos corpos-de-prova. iii) Compactação estática; Procedimentos: a) O solo é depositado no molde e, posteriormente, submetido a uma pressão estática; e b) Geralmente, compacta-se o corpo-de-prova com três ou cinco camadas de solo de igual massa.

4 4 2 Curva de compactação i) Descobridor da curva de compactação A descoberta da curva de compactação é atribuída a Ralph Proctor que, em 1933, descobriu a relação entre: o peso específico do solo seco, o teor de umidade e a energia de compactação. ii) Aspecto da curva de compactação Para uma energia de compactação do solo fixa, o peso específico do solo aumenta com o aumento da umidade, até atingir um valor máximo; Então, o peso específico do solo começa decrescer daí por diante com o aumento da umidade. A Figura 2.1 ilustra uma curva de compactação típica, com o ponto correspondente ao peso específico máximo do solo seco, e ao teor de umidade ótimo do solo. OBS. O ramo da curva com umidades abaixo do teor de umidade ótimo é chamado RAMO SECO, e o ramo da curva com umidades acima do teor de umidade ótimo e chamado RAMO ÚMIDO. Figura Curva de compactação típica, com o ponto correspondente ao peso específico máximo do solo seco, e ao teor de umidade ótimo do solo OBS(s). a) O peso específico do solo aumenta e depois diminui devido ao acréscimo de água e a compactação; Pois, inicialmente, abaixo da umidade ótima, a água e a energia de compactação causam, juntamente, uma aglutinação (ou uma ligação) entre as partículas do solo, o que causa o aumento do peso específico do solo; Posteriormente, o excesso de água além da umidade ótima, não causa mais aglutinação entre as partículas do solo, mas causa um rearranjo (ou nova orientação) das partículas de solo, o que gera (ou causa) a diminuição do peso específico do solo mesmo com o aumento de água no solo; e

5 5 b) Borrachudo é o solo com excesso de umidade localizado no ramo úmido da curva de compactação, o qual perde o poder de suporte ou diminui o seu CBR. 3 Ensaio de compactação tipo Proctor 3.1 Importância do ensaio de compactação tipo Proctor O ensaio de compactação é indispensável tanto para controle da qualidade dos aterros como para determinação da capacidade suporte dos solos (CBR). 3.2 Principais características do ensaio de compactação tipo Proctor (com reuso de material) O ensaio de compactação tipo Proctor, com reuso do material, apresenta as seguintes características: i) Inicialmente é tomada uma amostra de solo de peso conhecido, a qual é depositada em e uma bandeja, onde é misturada com um volume conhecido de água destilada; OBS. Quando, no ensaio, se usa o molde cilíndrico de diâmetro de 100 mm, a quantidade de solo tomada para o ensaio é geralmente 3 kg. ii) Então, o solo é homogeneizado, passado em uma peneira, e então, inicia-se a compactação do solo no cilindro; iii) Nesta fase, o solo umedecido é compactado em um cilindro de volume conhecido; O solo é compactado no cilindro em camadas, com um número préestabelecido de golpes do soquete compactador por camada; iv) Observa-se que: o peso do soquete compactador, bem como a altura de queda do soquete são fixados conforme a energia de compactação do ensaio (que pode ser normal, intermediária ou modificada); v) Após a compactação do solo no cilindro, é medido o peso do conjunto cilindro mais (+) solo úmido compactado no cilindro; vi) Após a pesagem do conjunto solo úmido mais (+) cilindro; Então, o solo é sacado do cilindro, e é determinado o seu teor de umidade; vii) Após a determinação do teor de umidade do solo, então o solo é destorroado, e homogeneizado com o restante da amostra de solo contida na bandeja; viii) Novamente, é acrescentado um volume conhecido de água destilada à amostra de solo na bandeja; Então, o solo é novamente homogeneizado, e o processo de compactação do solo no cilindro é repetido;

6 6 ix) O processo de compactação é repetido, de forma similar aos itens ii ao viii, até que o peso do conjunto: cilindro mais (+) solo, diminua de valor, pelo menos duas vezes consecutivas; x) O processo de compactação é repetido, até que se obtenham pelo menos cinco pontos, sendo no mínimo: dois pontos no ramo seco abaixo da umidade ótima, e dois pontos no ramo úmido acima da umidade ótima; xi) Nesta etapa, traça-se a curva peso específico do solo seco versus teor de umidade, que corresponde à curva de compactação do solo; e xii) Finalmente, determina-se o peso específico máximo do solo seco e o teor de umidade ótimo do solo, que corresponde ao ápice da curva de compactação. OBS. Durante o ensaio, o número de golpes aplicado à camada de solo deve ser distribuído uniformemente, por toda seção do cilindro de compactação. A Figura 3.1 mostra o momento do ensaio de compactação tipo Proctor, em que o solo está sendo compactado no cilindro. Na Figura 3.1, pode-se observar a presença do soquete e do cilindro usados na compactação. Figura Momento do ensaio de compactação tipo Proctor, em que o solo está sendo compactado no cilindro (Araujo, 2012)

7 7 A Figura 3.2 mostra o momento do ensaio de compactação tipo Proctor, quando o corpo-de-prova é arrasado (ou nivelado), com a régua biselada de aço, para ser pesado na balança. Figura Momento do ensaio de compactação tipo Proctor, quando o corpode-prova é arrasado (ou nivelado), com a régua biselada de aço, para ser pesado na balança (Araujo, 2012) 3.3 Principais equipamentos utilizados no ensaio de compactação Os principais equipamentos utilizados no ensaio de compactação são os que se seguem: a) Balanças que permitam pesar nominalmente 10 kg e 200 g, com resoluções de 1 g, e 0,01 g respectivamente; b) Peneiras de 19 e 4,8 mm; c) Estufa capaz de manter a temperatura entre 105 o e 110 o C; d) Cápsulas metálicas (de alumínio), com tampa e com diâmetro de cerca de 5 cm, para determinação da umidade; e) Duas bandejas metálicas de 75 cm x 50 cm x 5 cm; f) Régua de aço biselada com comprimento de 30 cm; g) Espátula de lâmina flexível com aproximadamente 10 cm de largura e 12 cm de comprimento; h) Espátula de lâmina flexível com aproximadamente 2 cm de largura e 12 cm de comprimento;

8 8 i) Cilindro metálico pequeno (cilindro de Proctor); O cilindro de Proctor possui: o molde de 100 mm de diâmetro, uma base e um colarinho; j) Soquete pequeno; com massa de 2,5 kg, e altura de queda 30,5 cm; k) Soquete grande; com massa de 4,5 kg, e altura de queda de 45,7 cm; l) Provetas de vidro com capacidade de 1000 cm 3, 200 cm 3 e 100 cm 3, e com graduações de 10 cm 3, 2 cm 3 e 1 cm 3 respectivamente; m) Vareta de madeira com marcas para facilitar o controle da altura das camadas compactadas no cilindro; n) Extrator de corpo-de-prova; o) Conchas metálicas com capacidade de 1000 cm 3 e 500 cm 3, que servem para encher o cilindro de compactação com solo; p) Base rígida, preferencialmente de concreto, com massa superior a 100 kg; e q) Facão. OBS. 1 kg = 1 kgf (quilograma força). 3.4 Classificação do ensaio de compactação por impacto (ou Proctor) considerando-se as diferentes energias de compactação A seguir tem-se o ensaio de Proctor classificado de acordo com a energia utilizada no ensaio, inclusive as características do ensaio na energia considerada. a) Ensaio de Proctor na energia NORMAL Para o ensaio na energia normal, tem-se: - Uso do soquete pequeno de 2,5 kg; - Altura de queda do soquete = 30,5 cm; - Número de camadas de solo compactadas = 3; - Número de golpes por camada = 26; e - Uso do cilindro pequeno, volume = 1000 cm 3. b) Ensaio de Proctor na energia INTERMEDIÁRIA Para o ensaio na energia intermediária, tem-se: - Uso do soquete grande de 4,5 kg; - Altura de queda do soquete = 45,7 cm; - Número de camadas de solo compactadas = 3; - Número de golpes por camada = 21; e - Uso do cilindro pequeno, volume = 1000 cm 3. c) Ensaio de Proctor na energia MODIFICADA Para o ensaio energia modificada, tem-se: - Uso do soquete grande de 4,5 kg; - Altura de queda do soquete = 45,7 cm; - Número de camadas de solo compactadas = 5;

9 9 - Número de golpes por camada = 27; e - Uso do cilindro pequeno, volume = 1000 cm Materiais utilizados para realização do ensaio de compactação por impacto ou tipo Proctor Além do solo, para realização do ensaio é necessário papel filtro com diâmetro igual ao do molde empregado, e também água destilada. Portanto o laboratório deverá possuir um destilador de água. 3.6 Padronização do ensaio de compactação tipo Proctor A norma utilizada para o ensaio é a NBR 7182 (1984) da ABNT, intitulada: Solo - ensaio de compactação. OBS. Para realização do ensaio de compactação também pode ser utilizada a norma do DNER (Departamento Nacional de Estradas de Rodagem) ou atual DNIT (Departamento Nacional de Infraestrutura em Transportes). 3.7 Cálculo da energia aplicada no ensaio de compactação tipo Proctor A energia aplicada ao solo no ensaio de compactação tipo Proctor pode ser calculada com base na seguinte equação: P.L.n.N E V em que: E = energia aplicada ao solo por unidade de volume; P = peso do soquete; L = altura de queda do soquete; n = número de camadas compactadas; N = número de golpes aplicado a cada camada de solo; e V = volume do cilindro. (3.1) 3.8 Fórmula para cálculo do peso específico seco do solo O peso específico do solo seco pode ser calculado pela seguinte equação: d 1 (W /100) (3.2)

10 10 em que: d = peso específico do solo seco (g/cm 3 ); = peso específico do solo úmido (g/cm 3 ); e W = teor de umidade do solo (%). OBS. O símbolo é a letra grega gama. 3.9 Técnicas de compactação quanto ao uso do solo O ensaio de compactação pode ser realizado com reaproveitamento do solo compactado, e sem reaproveitamento do solo compactado. i) Características do processo de compactação com reaproveitamento do solo Este processo de compactação com reaproveitamento do solo já foi descrito anteriormente, no item 3.2. ii) Características do processo de compactação sem reaproveitamento do solo O processo de compactação sem reaproveitamento de solo apresenta as seguintes características: a) São separados vários sacos plásticos, hermeticamente fechados, contendo amostras de um mesmo solo com teores de umidade crescente, de modo que exista pelo menos: -> 2 (dois) sacos plásticos contendo solo com teores de umidade abaixo do teor de umidade ótimo; e -> 2 (dois) sacos plásticos contendo solo com teores de umidade acima do teor de umidade ótimo. OBS. Hermeticamente fechado = inteiramente fechado. b) Finalmente, como os solos nos sacos plásticos já possuem teores de umidade pré-estabelecidos acima e abaixo do teor de umidade ótimo; Então, procede-se o ensaio de compactação. OBS. A porção de solo contida no saco plástico, deve ser mais que suficiente para ser compactada no cilindro do ensaio de compactação. iii) Considerações quanto aos ensaios de compactação com e sem reuso do solo De acordo com Pinto (2006), o resultado do ensaio de compactação sem reuso do solo é mais fiel, contudo este tipo de ensaio é pouco empregado, em virtude da maior amostra de solo requerida.

11 11 De acordo com Bueno e Vilar (1980), pode haver uma pequena variação no resultado obtido com os dois processos de compactação, com e sem reuso do solo; Sendo que os solos argilosos são mais sensíveis ao fenômeno. 4 Peculiaridades da curva de compactação i) Influência da energia de compactação no ensaio de compactação O aumento da energia de compactação aplicada ao solo faz com que o teor de umidade ótimo do solo se reduza, e faz com que o peso específico máximo do solo seco aumente. A Figura 4.1 dá uma idéia deste fato. OBS. No gráfico da Figura 4.1, tem-se que: a) E = energia de compactação; b) W OT = teor de umidade ótimo; e c) dmáx = peso específico máximo do solo seco. Figura Variação da do teor de umidade ótimo (W OT ), e do peso específico máximo do solo seco ( dmáx ) com o aumento da energia de compactação ii) Diferentes curvas de compactação para diferentes solos De maneira geral, os solos argilosos apresentam peso específico máximo de solo seco ( dmáx ) baixos, e teores de umidade ótimos altos. Valores de teores de umidade ótimo de 25 a 30%, e valores de pesos específicos máximos de solo seco de 1,4 a 1,5 g/cm 3 são comuns em solos argilosos.

12 12 As areias com pedregulhos bem graduadas, e com pouca argila, podem apresentar pesos específicos máximos de solo seco ( dmáx ) elevados, da ordem de 2,0 a 2,1 g/cm 3 ; Contudo, estes materiais apresentam teores de umidade ótimos baixos da ordem de 9 a 10%. A Figura 4.2 ilustra uma comparação entre curvas de compactação de diversos solos, os quais variam de solos argilosos até solos tipo pedregulho. OBS. Possivelmente, para que tenha sentido a comparação entre as curvas de compactação dos solos da Figura 4.2, a energia de compactação dos solos da Figura 4.2 é a mesma usada para todos os solos. Observe na Figura 4.2 que os solos arenosos b, c e d apresentam maiores pesos específicos máximos de solo seco ( dmáx ), que os solos argilosos g e f. Figura Comparação entre curvas de compactação de diversos solos

13 13 iii) Considerações de Lambe e Whitman (1979) quanto às curvas de compactação Lambe e Whitman (1979) fazem as seguintes considerações quanto às curvas de compactação, e quanto aos ensaios de compactação: a) Geralmente, as curvas de compactação dos ensaios de laboratório fornecem teores de umidade ótimos mais baixos do que os teores de umidade ótimos das compactações realizadas no campo; b) Existem vários tipos de ensaios de compactação realizados em laboratório, cada um é escolhido com o propósito de reproduzir algum método de compactação realizado no campo; c) Através da variação do procedimento de compactação de laboratório, a relação entre umidade e peso específico pode ser mudada para melhorar a correlação com o procedimento de compactação de campo. Por exemplo, uma determinada energia de compactação de laboratório pode ser mudada para melhor representar um processo de compactação de campo; e d) A maioria das compactações de campo são controladas através do ensaio de laboratório de compactação por impacto. OBS. O processo de compactação por impacto ou dinâmica mais conhecido é a compactação tipo Proctor. 5 Equipamentos de compactação de campo 5.1 Introdução aos equipamentos de compactação de campo Os equipamentos de compactação de campo podem ser classificados em 3 (três) categorias, as quais são: a) Soquetes Os soquetes podem ser: -> Soquetes manuais; e -> Soquetes mecânicos. b) Equipamentos estáticos Os equipamentos estáticos são: -> Rolos dentados ou pé-de-carneiro; -> Rolos pneumáticos; e -> Rolos lisos.

14 14 c) Equipamentos vibratórios Os equipamentos vibratórios são: -> Placas; e -> Rolos. A seguir, descreve-se os principais tipos de equipamentos de compactação de campo e suas utilizações. 5.2 Soquetes Os soquetes são utilizados em locais de difícil acesso, como para apiloamento (ou compactação) de valas, trincheiras e etc. O peso mínimo do soquete é de 15 kg. A espessura da camada compactada, com uso do soquete, para solos finos deve ter de 10 a 15 cm. A espessura da camada compactada, com uso do soquete, para solos grossos deverá ter no máximo 15 cm. Os soquetes podem ser manuais ou mecânicos; Os soquetes mecânicos são denominados sapos. A Figura 5.1 mostra um soquete compactador tipo sapo, geralmente empregado para compactar solos nos trabalhos de implantação de redes de esgotos nas cidades. Figura Soquete compactador tipo sapo, geralmente empregado para compactar solos nos trabalhos de implantação de redes de esgotos nas cidades

15 Equipamentos de compactação estáticos Rolo pé-de-carneiro O rolo pé-de-carneiro é constituído de um tambor metálico contendo protuberâncias tronco-cônicas com altura de 18 a 25 cm. O rolo pé-de-carneiro é recomendado para compactação de solos argilosos. Os rolos pé-de-carneiro são recomendados para compactação de núcleos de barragens, em que se exige um perfeito entrosamento entre as camadas de solo. A espessura da camada compactada com o rolo pé-de-carneiro deve situar-se em torno de 15 cm. Para obter Grau de Compactação de 95% a 100% na energia de Proctor normal, quanto ao número de passadas do rolo pé-de-carneiro no solo, tem-se que: a) Para compactar solos finos o rolo pé-de-carneiro deve dar de 4 a 6 passadas; e b) Para compactar solos grossos o rolo pé-de-carneiro deve dar de 6 a 8 passadas. Maiores detalhes sobre utilização do rolo pé-de-carneiro consulte DAS (2012) ou o manual do usuário do rolo. Finalmente, destaca-se que as dimensões e o peso do rolo pé-de-carneiro são especificadas através de tabelas, em relação ao tipo de solo a ser compactado. A Figura 5.2 ilustra um rolo pé-de-carneiro exercendo a operação de compactação do solo. Na Figura 5.2, percebe-se que o solo após ser compactado com o rolo pé-de-carneiro apresenta várias protuberâncias. Figura Rolo pé-de-carneiro exercendo operação de compactação do solo

16 Rolo liso O rolo liso é formado por um cilindro de aço oco, que pode ser preenchido com areia ou pedregulho, que serve para aumentar a pressão aplicada no solo. O rolo liso é usado na compactação da camada de asfalto de estradas. Os rolos lisos também são indicados nos seguintes casos: a) Para compactar camadas de solos finos de 5 a 15 cm; ou b) Para compactar bases e subleitos de estradas, em que a espessura das camadas a serem compactadas variam de 20 a 30 cm. Em geral, 6 passadas com o rolo liso são suficientes para compactar uma camada de 15 a 20 cm de espessura. Maiores detalhes sobre utilização do rolo liso consulte DAS (2012) ou o manual do usuário do rolo. solo. A Figura 5.3 ilustra um rolo liso no campo, em operação de compactação do Figura Rolo liso no campo, em operação de compactação o solo

17 Rolo pneumático Os rolos pneumáticos são altamente eficientes na compactação da camada (ou capa) asfáltica. Os rolos pneumáticos também podem ser empregados na compactação de bases e subbases. A Tabela 5.1 mostra a relação entre o tipo de solo, a espessura da camada de solo a ser compactada, e o número de passadas com o rolo pneumático. Tabela Relação entre o tipo de solo, a espessura da camada a ser compactada, e o número de passadas com o rolo pneumático. Para obter Grau de Compactação de 95% a 100% do Proctor normal Tipo de solo % de solo que passa na # 200 Espessura da camada (cm) Número de passadas Solo grosso 4 a 8% 25 3 a 5 Solo fino mais que 8% 15 a 20 4 a 6 Maiores detalhes sobre utilização do rolo pneumático consulte DAS (2012) ou o manual do usuário do rolo. Figura 5.4 ilustra um rolo pneumático, em funcionamento, sendo usado na compactação de uma camada de solo de um pavimento. Figura Rolo pneumático, em funcionamento, sendo usado na compactação de uma camada de solo de um pavimento

18 Placas e rolos vibratórios As placas e rolos vibratórios são utilizados para compactar solos grossos com menos de 12% passando na peneira de # 200. OBS(s). a) O símbolo # significa malha ou número da peneira; e b) A peneira de # 200 tem abertura na malha, que corresponde ao diâmetro de 0,075 mm. A espessura da camada compactada com a placa ou rolo vibratório deve situar-se entre 20 e 25 cm. 3 (três) passadas do rolo vibratório já são suficientes para obter uma boa compactação da camada de solo Trator de esteira ou de lagarta Ideais para solos grossos com menos de 8% passado na peneira 200. Os solos devem está totalmente molhados. 3 a 4 passadas, geralmente, são suficientes para obter de 95% a 100% de Grau de Compactação na energia de Proctor normal. O trator deve ser no mínimo um trator D8 e peso de 153 kn. OBS(s). a) De acordo com Pinto (2006), geralmente 22 a 23 cm de uma camada de solo solto resultam em uma camada de 15 cm de solo compactado; e b) O processo de cálculo da altura final da camada de solo compactada, a partir da altura de uma camada de solo solto, é descrito com detalhes por Senço (2006) volume 2 (página 53). 6 Comparação entre alguns processos de compactação Como já foi apresentado, existem vários processos de compactação no laboratório e no campo. Figura 6.1. mostra uma comparação dos processos de compactação realizados no campo e no laboratório para um mesmo tipo de solo. Com base na Figura 6.1, percebe-se que: a) Para o solo, em questão, as curvas de compactação obtidas com o rolo compactador de pneus, e com o rolo compactador pé-de-carneiro são bastantes semelhantes; e b) O processo de compactação de laboratório tipo AASHO na energia normal se aproxima bastante da compactação ocorrida no campo com o compactador de péde-carneiro com 6 passadas; Considerando-se, na comparação, o teor de umidade ótimo e o peso específico máximo do solo seco.

19 19 OBS. A AASHO é a atual AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials). Figura Comparação dos processos de compactação realizados no campo e no laboratório para um mesmo tipo de solo OBS. De acordo com BORDEAUX (1982), para maciços de barragem de solos coesivos dos tipos: areias siltosas pouco argilosas até argilas silto-arenosas o processo de compactação é o de Proctor na energia normal (Pag , capítulo 18). Assim sendo, esta faixa considerada por BORDEAUX (1982) cobre ou considera uma grande variedade de solos, que vão desde os solos mais grossos até os solos mais finos. 7 Controle de compactação 7.1 Introdução ao controle de compactação O solo trazido das jazidas de empréstimo deve ser espalhado uniformemente sobre a área a ser aterrada, em uma espessura tal que, após a operação de compactação atinja a espessura da camada projetada.

20 20 Geralmente, quanto mais fina a camada a ser compactada melhor será o processo de compactação. Uma faixa ideal de espessura final da camada compactada deve situar-se entre 20 e 30 cm, chegando a um máximo de 45 cm. A escolha do tipo de equipamento de compactação a ser usado na obra, e também a definição do número de passadas no solo do equipamento, pode ser feita por 2 (duas) maneiras, as quais são: a) Através da construção de aterros experimentais, antes da obra; ou b) Através da avaliação das primeiras camadas da obra a serem construídas. Uma vez definidos: a espessura final da camada a ser compactada, o tipo de equipamento de compactação, e o número de passadas no solo com o equipamento de compactação; Resta, apenas, manter o solo a ser compactado, o tanto quanto possível perto do teor de umidade ótimo (W OT ), para se obter ALTA EFICIÊNCIA no processo de compactação. 7.2 Importância de se atingir o ponto teor de umidade ótimo e peso específico máximo do solo seco da curva de compactação Tem consequências sérias, sob o aspecto de comportamento do solo, o fato da compactação NO CAMPO não atingir: o ponto ou a vizinhança do ponto do teor de umidade ótimo (W OT ) e peso específico máximo do solo seco ( dmáx ), definidos no ensaio de compactação de laboratório. A seguir são apresentadas as duas situações indesejáveis na compactação do solo no campo, as quais são: i) Situação em que W C (umidade de campo) << W OT ii) Situação em que W C (umidade de campo) >> W OT OBS(s). a) O símbolo << indica muito menor; b) O símbolo >> indica muito maior; c) W C = umidade do solo a ser compactado no campo, ou umidade de campo; e d) W OT = teor de umidade ótimo, obtido no ensaio de compactação. i) Situação em que W C (umidade de campo) << W OT Se no campo, o solo for compactado com W C (umidade de campo) << W OT, tem-se que nos períodos de chuva, o solo compactado pode saturar e ocorrer as seguintes situações indesejáveis: a) O solo pode diminuir sua resistência; e também b) O solo pode aumentar sua defomabilidade, o que é prejudicial para o pavimento.

21 21 OBS(s). a) Aumentar a defomabilidade do solo significa diminuir o módulo de elasticidade do solo (E); e b) O solo saturar significa que todos os vazios do solo ficam cheios de água. ii) Situação em que W C (umidade de campo) >> W OT Se no campo, o solo for compactado com W C (umidade de campo) >> W OT, tem-se que: a) O solo terá baixa resistência ao cisalhamento; e b) O solo terá alta defomabilidade, o que é ruim para o pavimento. Diante do que foi exposto, é importante que a compactação no campo se aproxime o máximo possível do ponto: teor de umidade ótimo (W OT ) e peso específico máximo do solo seco ( dmáx ) obtidos da curva de compactação de laboratório. 7.3 Elementos medidores ou controladores da qualidade da compactação i) Grau de compactação e desvio de umidade em torno do teor de umidade ótimo Para que o teor de umidade e o peso específico seco dos aterros (ou das camadas de solo compactadas no campo) estejam dentro dos valores aceitáveis, em termos de engenharia, são utilizados os medidores da qualidade da compactação das camadas dos aterros, os quais são: a) O grau de compactação (GC); e b) O desvio de umidade em torno do teor umidade ótimo ( W). OBS. O símbolo é a letra grega delta. a) Grau de compactação (GC) O grau de compactação é uma relação entre o peso específico do solo seco da camada do aterro compactado ( d ), e o peso específico máximo do solo seco ( dmáx ) obtido no laboratório no ensaio de compactação; O grau de compactação é representado pela seguinte equação: GC d dmáx (7.1) em que: GC = grau de compactação; d = peso específico do solo seco da camada do aterro compactado; e dmáx = peso específico máximo do solo seco obtido no laboratório no ensaio de compactação..100

22 22 b) Desvio de umidade em torno do teor de umidade ótimo ( W) Desvio de umidade em torno do teor de umidade ótimo ( W) é a diferença entre o teor de umidade da camada do aterro compactado (W C ), e o teor de umidade ótimo (W OT ) obtido no laboratório no ensaio de compactação. O desvio de umidade em torno do teor de umidade ótimo é representado pela seguinte equação: W W C W OT (7.2) em que: W = desvio de umidade em torno do teor de umidade ótimo (%); W C = teor de umidade do aterro, ou da camada de solo compactada (%); e W OT = teor de umidade ótimo obtido no laboratório no ensaio de compactação (%). ii) Valores que definem a qualidade do aterro, ou camada de solo, compactado no campo Na prática, o projetista, diante de sua experiência e das normas existentes, estabelece: o desvio de umidade em torno do teor de umidade ótimo ( W) e o grau de compactação (GC) a serem obtidos na compactação de campo. Por exemplo: Deve ser obtido no campo, no mínimo, um GC = 95%, e um W = ± 2% do ensaio de Proctor normal. iii) Controle de compactação em ensaios de laboratório Viana (2007), ao compactar corpos-de-prova para ensaios de módulo de resiliência, e também para ensaios de compressão simples utilizou: a) GC (grau de compactação) = 100 ± 2%; e b) W (desvio de umidade em torno do teor umidade ótimo) = ± 0,5% iv) Critério para lançar novas camadas de aterro É importante frisar que só é permitido lançar uma nova camada de solo no aterro; Após, ter-se conseguido na camada anterior do aterro os valores de GC (grau de compactação) e W (desvio de umidade em torno do teor de umidade ótimo) especificados pelo projetista. OBS. Convém destacar que a quantidade de água a ser adicionada ao solo, que deverá ser compactado no campo é calculada em função: a) Da descarga da barra de distribuição de água do caminhão pipa; e b) Da velocidade do caminhão pipa.

23 Determinação do teor de umidade do solo da camada compactada no campo O teor de umidade do solo, da camada de solo compactada no campo, pode ser determinado através de vários métodos, os quais são: i) Método da frigideira; ii) Método da mistura solo-álcool; iii) Método Speed; e iv) Etc. i) Método da frigideira para determinação da umidade Em linhas gerais, este método consiste em secar uma amostra de solo úmido, da camada compactada, em uma frigideira; E então, calcular a umidade do solo. OBS. Convém lembrar que o teor de umidade do solo é calculado pela seguinte equação: P W P em que: W = teor de umidade da amostra de solo; P W = peso de água contida na amostra de solo; P SU = peso da amostra de solo úmido; e P S = peso da amostra de solo seca. W S PSU PS P S (7.3) ii) Método da mistura solo-álcool Este método consiste em misturar uma amostra de solo úmido, da camada compactada, com um certo volume álcool, e então, atear fogo para secar o solo; Finalmente, calcula-se a umidade do solo. iii) Método Speed OBS. Em inglês Speed significa velocidade, portanto o método Speed denota ser um método rápido. O método de determinação da umidade tipo Speed possui as seguintes características: a) No método Speed, certa quantidade de solo úmido é inserido em uma garrafa que contém carbureto; b) Na sequência, a garrafa é fechada e sacudida; c) A água do solo úmido reage com o carbureto, e aumenta a pressão no interior da garrafa; d) Através de um manômetro instalado na garrafa, determina-se a pressão no interior da garrafa; e

24 24 e) Finalmente, por meio da pressão lida no monômetro e de uma correlação se obtém o teor de umidade do solo. 7.5 Determinação do peso específico da camada de solo compactada do aterro Existem vários métodos para se determinar o peso específico da camada de solo do aterro, entre os quais, pode-se citar: a) Determinação do peso específico, através método do corpo-de-prova moldado em laboratório (já apresentado em aulas anteriores); b) Determinação do peso específico, através do método do frasco de funil e areia; e c) Etc. OBS(s). a) Para obter detalhes do ensaio de determinação do peso específico pelo método do frasco de funil e areia consulte Caputo (2007) volume 1; e b) De posse do peso específico do solo úmido da camada compactada do aterro, e do teor de umidade do solo da camada compactada do aterro; Pode-se determinar o peso específico do solo seco da camada compactada do aterro pela seguinte equação: d 1 (W /100) (7.4) em que: d = peso específico do solo seco da camada compactada (g/cm 3 ); = peso específico do solo úmido da camada compactada (g/cm 3 ); e W = teor de umidade do solo da camada compactada (%). 8 Determinação da quantidade de água a ser adicionada a uma amostra de solo, que está na umidade higroscópica; Para que a amostra de solo atinja uma nova umidade além (ou acima) da umidade inicial ou higroscópica A eq. (8.1) fornece a quantidade de água a ser adicionada a uma amostra de solo, que está na umidade higroscópica; Para que a amostra de solo atinja uma nova umidade além (ou acima) da umidade inicial ou higroscópica; Para que a amostra possa ser compactada no laboratório. P Wad PSU.(WF W i) (W 100) i (8.1) em que: P Wad = peso de água a ser adicionado a amostra de solo úmido (que está na umidade inicial ou higroscópica), para se obter a amostra de solo na nova umidade igual a W F (g);

25 25 P SU = peso da amostra de solo úmido (que está na umidade inicial ou higroscópica) (g); W i = teor de umidade inicial do solo, ou teor de umidade higroscópico do solo (%); e W F = teor de umidade do solo que está além (ou acima) do teor de umidade inicial ou higroscópico do solo (%). OBS(s). a) Umidade higroscópica é a umidade que o solo possui, quando está seco ao ar livre; e b) A experiência na moldagem de corpos-de-prova, no teor de umidade ótimo, tem mostrado que é recomendável se acrescentar um teor de umidade de cerca de 0,35% acima do teor umidade ótimo para o cálculo do peso dá água usado na moldagem de corpos-de-prova no teor de umidade ótimo; Pois, parte da água usada, na preparação do solo para moldagem do corpo-de-prova, se perde durante o processo de homogeneização do solo na bandeja e na peneira. 9 Algumas causas de recalques De acordo com Hachich et al. (1996, páginas 260 e 261), no solo, além do recalque elástico e do recalque causado e por adensamento, que são muitos frequentes, podem ocorrer recalques causados por: - Vibrações no solo; - Escavações em áreas próximas as fundações; - Rebaixamento do lençol freático; - Escavação de túneis; e - Solos colapsíveis. OBS(s). a) O tema recalque por adensamento será abordado em aulas futuras. b) Como exemplo de danos causados por recalques tem-se: - Fissuras ou trincas nas paredes e/ou pisos; - Mau funcionamento dos caixilhos de portas e janelas; - Refluxo nos esgotos; - Rupturas de painéis de vidro; e - Infiltrações e até danos estruturais. 9.1 Efeito das vibrações no solo As vibrações, oriundas de: rolos compactadores vibratórios, bate-estacas, desmonte de rochas, tráfego viário e outros, podem causar recalques nas fundações das edificações com consequentes danos às edificações.

26 Escavações em áreas próximas as fundações É comum a execução de escavações para construção em subsolo (por exemplo garagens subterrâneas) próximo à edificações existentes. Assim sendo, essas escavações mesmo com paredes escoradas, causam movimento do maciço arrimado (ou contido) podendo ocorrer como consequência, recalques nas fundações de edificações próximas, que estão apoiadas sobre os maciços arrimados (ou contidos). 9.3 Rebaixamento do lençol freático Caso haja presença de camada de solo compressível no subsolo na região que ocorre o rebaixamento do lençol freático, então, ocorrerá um aumento das pressões geostáticas na camada compressível, independentemente da aplicação de carregamentos externos e isto causará o recalque na superfície do solo. A Figura 9.1 ilustra um exemplo quando uma camada compressível sofre um acréscimo de tensão efetiva ( ) causado pelo rebaixamento do lençol freático. Observação: O rebaixamento do lençol freático pode ocorrer em virtude de obras de fundações de edifícios (infra-estrutura), ou do simples bombeamento de água para finalidades de abastecimento. Figura Um exemplo quando uma camada compressível sofre um acréscimo de tensão efetiva ( ) causado pelo rebaixamento do lençol freático; Situação antes e depois do rebaixamento do lençol freático

27 27 O acréscimo de tensão efetiva geostática, que atuará no centro da camada compressível após o rebaixamento do lençol freático, conforme a Figura 9.1, é calculado pela seguinte equação: E sendo: (9.1) (9.2) (9.3) Em que: = acréscimo de tensão efetiva geostática que atuará no centro da camada compressível, após o rebaixamento do lençol freático; VO = tensão efetiva geostática, atuante no centro da camada compressível, antes do rebaixamento do lençol freático; V2 = tensão efetiva geostática, atuante no centro da camada compressível, após do rebaixamento do lençol freático; H 1 = espessura da camada de solo não compressível; H 2 = espessura da camada de solo compressível; u = poropressão ou pressão neutra; SAT = peso específico saturado da camada de solo não compressível; 1 = peso específico da camada de solo não compressível; 2 = peso específico da camada de solo compressível; e w = peso específico da água. OBS(s). Tensões geostáticas são tensões causadas pelo peso próprio do solo. 9.4 Escavação de túneis Qualquer que seja o método de execução de túneis, ocorrerão recalques da superfície do terreno. Ainda, os recalques causados por túneis têm forma de sela, e as edificações situadas na região destes recalques estão sujeitas a recalques diferenciais que poderão danificá-las. 9.5 Solos colapsíveis Em diversas regiões do Brasil, existem solos colapsíveis que são solos com elevada porosidade, e que têm em sua estrutura as suas partículas cimentadas por materiais ligantes (calcário ou argila ou etc.). Quando os solos colapsíveis entram em contato com a água ocorre a destruição da cimentação entre as partículas, e o solo sofre um colapso ou recalque súbito (ou repentino). Os solos colapsíveis podem ser solos tipo areias ou tipo argilas.

28 28 Referências Bibliográficas AMERICAN ASSOCIATION OF STATE HIGHWAY AND TRANSPORTATION OFFICIALS. AASHTO T Determining the resilient modulus of soil and aggregate materials. Washington, D.C., [199-?]. ARAUJO, H. A. Estudo do solo da jazida J1 de Jaguaquara. Trabalho de conclusão de curso TCC. Vitória da Conquista BA: Faculdade de Tecnologia e Ciências p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR Solo - ensaio de compactação. Rio de Janeiro BORDEAUX, G. Barragens - Extensão Universitária. FEFUMEC Paginação personalizada. (Bibliografia depositada na Biblioteca da Escola de Engenharia de São Carlos) BUENO, B. S.; VILAR, O. M. Mecânica dos solos. Apostila 69. Viçosa - MG: Universidade Federal de Viçosa, p. CAPUTO, H. P. Mecânica dos solos e suas aplicações (fundamentos). Vol ed., Rio de Janeiro - RJ: Livros Técnicos e Científicos Editora S. A., p. (Bibliografia Principal) DAS, B. M. Fundamentos de engenharia geotécnica. Tradução da sétima edição norte-americana. São Paulo - SP: CENGAGE Learning, p. HACHICH, W.; FALCONI, F. F.; SAES, J. L.; FROTA, R. G. Q.; CARVALHO, C. S. NIYAMA, S. Fundações teoria e prática. São Paulo - SP: Pini, p. LAMBE, W. T.; WHITMAN, R. V. (1979) Soil Mechanics, SI Version. New York: John Wiley & Sons, p PINTO, C. S. Curso básico de mecânica dos solos. 3. ed., São Paulo - SP: Oficina de Textos, p. SENÇO, W. Manual de técnicas de pavimentação. Vol. 2, São Paulo - SP: Pini, p. VIANA, H. M. F. Estudo do comportamento resiliente dos solos tropicais grossos do interior do Estado de São Paulo. 320f. Tese (Doutorado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2007.