UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CAMPUS DE SINOP FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL GEOTECNIA I

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CAMPUS DE SINOP FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL GEOTECNIA I Aula 06 Compactação do solo Augusto Romanini Sinop - MT 2017/1

2 AULAS Aula 00 Apresentação / Introdução Aula 01 Origem do solo e tamanho das partículas Aula 03 Granulometria do Solo Aula 05 Classificação do solo Aula 06 Compactação do Solo Aula 08 Tensões no solo II Aula 09 Permeabilidade e Percolação Parte I Conhecendo o solo Aula 02 Índices Físicos do Solo Aula 04 Limites de Consistência Parte II Tensões no solo Aula 07 Tensões no solo Parte III Hidráulica dos solos Aula 10 Exploração do subsolo OS CONTEÚDOS SÃO COMPLEMENTARES. 08/05/2017 Compactação do Solo 2

3 Introdução Ensaio de Compactação O efeito da compactação nos solos Comportamento de solos compactados Compactação em campo 08/05/2017 Compactação do Solo 3

4 Introdução Entende-se por compactação de um solo, o processo manual ou mecânico que visa reduzir o volume de seus vazios e, assim, aumentar sua resistência, tornando-o mais estável. Trata-se de uma operação simples e de grande importância pelos seus consideráveis efeitos sobre a estabilização de maciços terrosos, relacionando-se, intimamente, com os problemas de pavimentação e barragens de terra. A compactação de um solo visa melhorar suas características, não só quanto à resistência, mas, também, nos aspectos: permeabilidade, compressibilidade e absorção d'água. No estado atual de conhecimento sobre o assunto, sabe-se que o aumento do peso específico de um solo, produzido pela compactação, depende fundamentalmente da energia dispendida e do teor de umidade do solo. 'Observe-se que na "compactação" há expulsão de ar, e no "adensamento" a expulsão é da água. 08/05/2017 Compactação do Solo 4

5 Introdução 08/05/2017 Compactação do Solo 5

8 Conceito Básico Conceito 01: 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. Gasosa Líquida Gasosa Líquida Variação de volume Sólida Sólida Antes da compactação Após a compactação 08/05/2017 Compactação do Solo 8

9 Conceito Básico Conceito 02: A compactação em termos gerais é a densificação do solo por meio da remoção do ar, o que requer energia mecânica. O grau de compactação é medido com base no peso especifico seco. Quando adicionada ao solo durante a compactação, a água atua como um agente de amolecimento das partículas. As partículas deslizam umas sobre as outras e se movem para uma posição densamente compacta. 08/05/2017 Compactação do Solo 9

10 Conceito Básico Resistência Deformabilidade Permeabilidade Redução do e Resistência, Deformação Permeabilidade F(e) Reduzir os vazios Compactar Compactação em Laboratório Compactação em Campo Controle da compactação 08/05/2017 Compactação do Solo 10

11 Ensaio de Compactação Compactação em Laboratório Ensaio Proctor a) Molde b) Soquete c) Equipamentos gerais Em fins da década de 1930, Porter, da California Division of Highways, desenvolveu um ensaio para determinar a densidade seca máxima e a umidade ótima de solos para fins rodoviários. Para ele, o resultado da compactação era a redução do volume de ar, o que se consegue até um ponto, a partir do qual a água adicionada passa a ocupar mais volume, sem conseguir expulsar totalmente o ar. Foi Proctor, no entanto, quem padronizou esse ensaio por volta de 1933, divulgando o fato. 08/05/2017 Compactação do Solo 11

12 Ensaio de Compactação Compactação em Laboratório γ = Masso do solo compactado no molde Volume do Molde γ d = γ 1 + w Peso Específico Seco Teor de Umidade Curva de Saturação Energia de Compactação 08/05/2017 Compactação do Solo 12

13 Ensaio de Compactação Compactação em Laboratório A condição tida como ideal para a compactação de um solo é o ponto definido pelos parâmetros peso específico seco máximo (γ d,máximo ) e teor de umidade ótimo (w ot ). Peso Específico Seco Máximo Antes do peso específico seco máximo, tem-se o ramo seco, com teores de umidade menores que o teor de umidade ótimo Depois do peso específico seco máximo, tem-se o ramo úmido, com teores de umidade maiores que o teor de umidade ótimo 08/05/2017 Compactação do Solo 13

14 Ensaio de Compactação Compactação em Laboratório d Ramo seco Ramo úmido w (%) 08/05/2017 Compactação do Solo 14

15 Fatores que afetam a compactação O tipo de solo Solos Granulares Solos Finos A energia de compactação Normal Intermediária Modificada 08/05/2017 Compactação do Solo 15

16 Fatores que afetam a compactação O tipo de solo O tipo de solo influência a curva de compactação. Para uma mesma energia de compactação, em geral: γ d,máx (aumento do peso esp.seco máx) Argilosos Siltosos Arenosos w ot (aumento do teor de umidade0 08/05/2017 Compactação do Solo 16

17 Fatores que afetam a compactação O tipo de solo O tipo de solo influência a curva de compactação. Para uma mesma energia de compactação, em geral: LL entre 30 e 70 LL menor que 30 LL menor que 30 e maior que 70 LL maior que 70 08/05/2017 Compactação do Solo 17

18 Fatores que afetam a compactação A energia de compactação 08/05/2017 Compactação do Solo 18

19 Peso específico aparente seco ( d) Fatores que afetam a compactação A energia de compactação Energia de compactação Linha de máximos d max w ot 80-90% A energia de compactação Normal (E1) Intermediária (E2) Curva desaturação S r = 100% Modificada (E3) E1 E2 E3 E1> E2> E3 Teor de umidade (w) Limite para o processo de compactação Aproximadamente paralelo à curva de saturação 08/05/2017 Compactação do Solo 19

20 Fatores que afetam a compactação A energia de compactação E = Nº de golpes por camada Nº de camadas Peso do soquete Altura de queda do soquete Volume do molde As energias indicam que se ocorre uma alteração do esforço de compactação por unidade de volume do solo, a curva do peso especifico versus teor de umidade, também será. 08/05/2017 Compactação do Solo 20

21 Fatores que afetam a compactação A energia de compactação O que a ABNT propõem? Cilindro Características inerentes a cada energia de compactação Energia de Compactação Normal Intermediária Modificada Pequeno Grande Soquete Pequeno Grande Grande Número de camadas Número de golpes por camada Soquete Grande Grande Grande Número de camadas Número de golpes por camada Altura do disco espaçador (mm) 63,5 63,5 63,5 08/05/2017 Compactação do Solo 21

22 Fatores que afetam a compactação A energia de compactação 08/05/2017 Compactação do Solo 22

23 Comportamento de solos compactados Solos Granulares Quando compactados, em geral, os solos não coesivos não apresentam uma curva de compactação bem definida. Para uma dada energia de compactação o peso especifico aparente seco, é relativamente elevado. Mesmo variando os teores de umidade, teores de umidade intermediários, há uma pequena variação no peso especifico aparente seco. Assim, os conceitos de teor de umidade ótimo e peso especifico seco aparente máximo, perdem o significado. O que fazer? 08/05/2017 Compactação do Solo 23

24 Comportamento de solos compactados Solos Granulares Compacidade Relativa D r = e máx e e máx e mín D r = γ d,máx (γ d γ d,min) γ d,max γ d,min) γ d D r = Compacidade Relativa 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) γ d = Peso especifico seco γ d,máx = Peso especifico seco no estado mais compacto γ d,min = Peso especifico seco no estado mais solto 08/05/2017 Compactação do Solo 24

25 Peso específico seco Comportamento de solos compactados Solos Argilosos Nos solos coesivos a compactação induz variações na estrutura dos solos coesivos. O resultado desta variações são estruturais, e incluem alterações na condutividade hidráulica, na compressibilidade e na resistência. Estrutura Intermediária Estrutura Floculada Estrutura Paralela Teor de umidade 08/05/2017 Compactação do Solo 25

26 Comportamento de solos compactados Solos Argilosos 08/05/2017 Compactação do Solo 26

27 Comportamento de solos compactados Solos Argilosos 08/05/2017 Compactação do Solo 27

28 Comportamento de solos compactados 08/05/2017 Compactação do Solo 28

29 Comportamento de solos compactados 2. Estabilização Mecânica Proctor PROCTOR, R. R. (1933). The design and construction of rolled earth dams. Engineering News-Record, III, August 31, September 7, 21, and 28 Ramo seco Forças de atrito entre partículas criadas por tensões capilares existentes opõem resistência aos esforços de compactação Índice de vazios e d Ramo seco Acréscimos de água ao solo resultam em efeitos de lubrificação entre suas partículas produzindo arranjos mais compactos Teor ótimo Incrementos sucessivos no teor de umidade implicam em diminuição de vazios até um ponto em que os mesmos são mínimos e a densidade é máxima d max e w ot Ramo úmido acréscimos no teor de umidade além deste ponto, resultam em redução das forças capilares e afastamento interpartículas, ficando o solo menos denso e mais plástico 08/05/2017 Compactação do solo 29

30 Comportamento de solos compactados 2. Estabilização Mecânica Hilf HILF, J. W. An investigation of pore-water pressure in compacted cohesive soils. Denver, Colorado: Technical Memorandum 654, U. S. Department of the Interior, Bureau of Reclamation, Ramo seco Para baixos teores de umidade, formam-se meniscos de pequeno raio de curvatura entre as partículas do solo Alta resistência ao esforço de compactação Ramo seco Posterior umedecimento do solo leva à suavização dos meniscos e, consequentemente, à perda de capacidade de resistir aos esforços de compactação Teor ótimo Os vazios existentes, inicialmente grandes e interligados, perdem ligações entre si, até que próximo da umidade ótima é quase impossível expulsar o ar do solo Ramo úmido Reduções na densidade do solo se devem ao aprisionamento do ar nos poros com conseqüente geração de poro-pressão na fase gasosa e redução na eficiência do processo de compactação 08/05/2017 Compactação do solo 30

31 Comportamento de solos compactados 2. Estabilização Mecânica Olson OLSON, R. E. Effective stress theory of soil compaction. Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division, ASCE, 89, No. SM2, pp , 1963 Ramo seco Aumento no teor de umidade resulta na elevação da pressão nas fases líquida e gasosa, reduzindo a tensão efetiva e permitindo, assim, que ocorra um melhor rearranjo das partículas Ramo seco Acrescentando-se mais água ao solo, as partículas deslizam umas sobre as outras, levando o solo a um nível de tensões efetivas que lhe permita resistir ao esforço de compactação Teor ótimo Umidade, na qual, os vazios se tornam descontínuos e impedem a saída de ar Não há mais redução do volume da massa de solo Ramo úmido Com o aumento do teor de umidade a deformação aumenta e o γ d do solo diminui 08/05/2017 Compactação do solo 31

32 Comportamento de solos compactados 2. Estabilização Mecânica Lambe LAMBE, T. W. Structure of compacted clay. Transactions ASCE, 125, pp , 1960 Ramo seco A dupla camada difusa não se encontra plenamente desenvolvida Altas concentrações eletrolíticas e redução das forças de repulsão entre partículas Ramo seco Ocorre floculação das partículas com baixo grau de orientação resultando em um solo de baixa densidade Teor ótimo Teores de umidade maiores permitem o desenvolvimento da dupla camada difusa, reduzindo o grau de floculação e produzindo estruturas mais dispersas Ramo úmido 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 08/05/2017 Compactação do solo 32

33 Compactação em campo Fatores que influenciam na compactação Energia de compactação Tipo de solo Teor de umidade Peso específico 08/05/2017 Compactação do Solo 33

34 Compactação em campo Fatores que influenciam na compactação Energia de compactação Tipo de solo Teor de umidade Peso específico 08/05/2017 Compactação do Solo 34

35 Compactação em campo Fatores que influenciam na compactação Peso específico Teor de umidade 08/05/2017 Compactação do Solo 35

36 Compactação em campo Quais os tipos de compactação? Compactação em Laboratório Pressão e Dinâmica Via o ensaio Proctor Compactação em campo Dinâmica Pressão Vibração 08/05/2017 Compactação do Solo 36

37 Compactação em campo Quais os tipos de compactação? Dinâmica 08/05/2017 Compactação do Solo 37

38 Compactação em campo Quais os tipos de compactação? Dinâmica Pressão 08/05/2017 Compactação do Solo 38

39 Compactação em campo Quais os tipos de compactação? Vibração Pressão 08/05/2017 Compactação do Solo 39

40 Compactação em campo Quais os tipos de compactação? Vibração Pressão 08/05/2017 Compactação do Solo 40

41 Compactação em campo Fatores que influenciam a compactação no campo: Teor de umidade do solo Número de passadas do equipamento ( Energia) Espessura da camada compactada ( Peso esp. Seco) Características do equipamento utilizado: Pressão aplicada Área de contato 08/05/2017 Compactação do Solo 41

42 Compactação em campo Fatores que influenciam a compactação no campo: Características do equipamento utilizado: Pressão aplicada Área de contato 08/05/2017 Compactação do Solo 42

43 Compactação em campo Espessura da camada Razões econômicas fazem preferir que a espessura seja a maior possível. Mas características do material, tipo de equipamento e finalidade do aterro são fatores que devem predominar. Equipamentos diversos exigem espessuras de camada diferentes. A tabela "Escolha do rolo compactador" é uma orientação inicial. Geralmente se adotam espessuras menores que as máximos, para garantir compactação uniforme em toda a altura da camada Tipo de Rolo Peso Espessura Uniformidade Tipo de Solo Pé de Carneiro Estático Boa Argilas e Silte Pé de Carneiro Vibratório Boa Mistura de areia,silte e argila Pneumático Leve Boa Mistura de areia,silte e argila Pneumático Pesado Muito Boa Praticamente todos Vibratrório com rodas lisas Muito Boa Areias,cascalhos,Material Granular Liso Metálico estático,3 rodas Regular Materiais Granulares Rolo de Grade Boa Materiais Granulares 08/05/2017 Compactação do Solo 43

44 Compactação em campo Espessura da camada 08/05/2017 Compactação do Solo 44

45 Compactação em campo Controle de compactação O controle de compactação é um conjunto de ações visando garantir que os parâmetros de projeto sejam atendidos, ou seja, o que foi previsto em laboratório seja feito o mais próximo possível no campo. O controle de compactação é feito com base em dois índices : peso especifico seco e teor de umidade. 08/05/2017 Compactação do Solo 45

46 Compactação em campo Controle de compactação Evitar que uma camada inadequadamente compactada seja coberta por outra antes da análise. 08/05/2017 Compactação do Solo 46

47 Compactação em campo Controle de compactação É uma verificação sistemática onde se verifica, em intervalos regulares, se a compactação foi feita de acordo com as especificações. Normalmente se faz o controle a cada 1000,00 m³ de solo compactado. Formas de se monitorar a densidade no campo: Frasco de areia Método de Hilf Densímetro nuclear 08/05/2017 Compactação do Solo 47

48 Compactação em campo Controle de compactação Frasco de areia 08/05/2017 Compactação do Solo 48

49 Compactação em campo Densímetro nuclear Controle de compactação Os densímetros nucleares são utilizados com frequência para a determinação do peso especifico seco compactado do solo. Esse equipamento opera tanto em furos como na superfície do solo. Um isótopo radioativo e usado como fonte e libera raios gama, que são irradiados de volta para o detector do densímetro. Os solos denso absorvem mais radiação que os solos fofos. O instrumento retorna com dados do peso úmido por unidade de volume e peso da água existente em um volume de solo. Basta assim, calcular o peso seco utilizando índices físicos. 08/05/2017 Compactação do Solo 49

50 Compactação em campo Densímetro não nuclear Controle de compactação Medidor de densidade de solos SDG ( Soil Density Gauge), não radioativo, capaz de determinar, in situ, as principais propriedades físicas de solos soltos e compactados, tais como: densidade seca e úmida, umidade, temperatura e percentual de compactação, além de armazenar informações dos materiais e dados do projeto. A medição é efetuada pela rigidez dielétrica do material com o equipamento sobre o solo. Não necessita de licenças especiais nem de operadores certificados. Sem necessidades especiais de armazenamento. 08/05/2017 Compactação do Solo 50

51 Compactação em campo Controle de compactação Densímetro não nuclear 08/05/2017 Compactação do Solo 51

52 Na construção de aterros para estradas, barragens e outras estruturas os solos devem ser compactados para melhorar suaspropriedades. A compactação aumenta a resistência dossolos. O solo compactado está menos sujeito a recalque, devido a sua menor compressibilidade A permeabilidade dos solos reduzida com a compactação, devido a redução dos vazios entre as partículas. LEITURA RECOMENDADA UHE TUCURUÍ - ETAPA DE EXPANSÃO CONTROLE TECNOLÓGICO DAS OBRAS DE TERRA E ENROCAMENTO 08/05/2017 Compactação do Solo 52

53 REFERÊNCIAS CAPUTO, H.P. Mecânica dos solos e suas aplicações - Volumes I, II, III. DAS, B.M. Fundamentos de engenharia geotécnica. 7ª ed. Cengage Learning, 632 p., PINTO, C.S. Curso básico de mecânica dos solos. 3ª Ed. Oficina de Textos, 356 p., /05/2017 Compactação do Solo 53

54 Obrigado pela atenção. Perguntas? 08/05/2017 Compactação do Solo 54

55 Exemplo Um ensaio de compactação foi conduzido em uma determinada energia de compactação. O molde utilizado possui um volume de 944,00 cm³. São fornecidos a massa do solo compactado neste molde e em seis teores de umidade. É solicitado a curva de compactação para esta situação. Pede se que seja apresentada a curva de saturação de 100% ( sem ar nos vazios). O ensaio do peso específicos do sólidos resultou em 27,20 kn/m³. Amostra Massa Úmida (g) Teor de umidade(%) , , , , , ,00 20 Responda: a) Estime o peso especifico seco máximo e teor de umidade ótimo? b) Se em campo obteve-se um peso especifico seco de 16,95 kn/m³, qual o grau de compactação? c) Se houvesse uma compactação com uma energia superior, o que aconteceria com a curva? E se fosse uma energia inferior? 08/05/2017 Compactação do Solo 55

56 Exemplo 08/05/2017 Compactação do Solo 56