Avaliação da compactação de solo granular do município de Aripuanã-MT

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1 Avaliação da compactação de solo granular do município de Aripuanã-MT Lucas Manoel da Silva 1, Gabriel Oberon Bertoldi Oliveira 2, Flavio Alessandro Crispim 3, Ana Elza Dalla Roza 4. 1Graduando em Engenharia Civil, UNEMAT, Sinop/MT, Brasil, 2 Graduando em Engenharia Civil, UNEMAT, Sinop/MT, Brasil, 3 Doutor, Professor Titular, UNEMAT, Sinop/MT, Brasil, 4 Grauduada, Professora, UNEMAT, Sinop/MT, Brasil, Resumo Na construção de rodovias, barragens, aterros, taludes ou qualquer obra do gênero é necessário o emprego de solos com valores mínimos de resistência. Cada solo possui como característica individual uma determinada distribuição granulométrica e consequentemente valores específicos dos coeficientes de uniformidade (Cu) e curvatura (Cc). Por vezes o solo a disposição em sua condição natural não é suficientemente resistente e recorre-se a sua compactação. O processo de compactação pode ser definido como um mecanismo de acréscimo de capacidade de suporte a um material, por meio da manutenção da umidade constante e com a diminuição dos espaços vazios, através da aplicação de uma ação mecânica. A compactação do solo não deve modificar a configuração granulométrica do material, pois isto confere a o material um comportamento distinto do qual inicialmente conhecia-se. Neste contexto, este trabalho busca avaliar a compactação com nível de energia de Proctor normal de um solo granular de grande aplicação no município de Aripuanã/MT, de modo identificar se ocorre uma significativa alteração granulométrica. O material é um solo granular do município de Aripuanã-MT das coordenadas de 10 11'5.51"S e 59 22'43.19"O, elevação em relação ao nível do mar de 308 m e classifica-se pela AASHTO- TRB e pela UCS respectivamente como A-2-4(0) e GM. Concluiu-se que a amostra avaliada apresentou alteração nos coeficiente Cu e Cc e que a avaliação da alteração das estrutura granulométrica da amostra, melhor apresentou-se por quantidade de material por um dado intervalo granulométrico. Palavras-chave: Compactação, Geotecnia, Quebra de Partículas, Solo Granular Evaluation of the granular soil compaction of the municipality of Aripuanã-MT ABSTRACT In the construction of highways, dams, landfills, embankments or any other work of this kind it is necessary to use soils with minimum values of resistance. Each soil has as individual characteristic a certain particle size distribution and consequently specific values of the coefficients of uniformity (Cu) and curvature (Cc). Sometimes the soil the arrangement in its natural condition is not sufficiently resilient and resorting to its compacting of its structure. The compacting process can be defined as a mechanism for increasing the carrying capacity of a material by maintaining constant humidity and reducing voids through the application of a mechanical action. Soil compaction should not be performed by modifying the grain size

2 configuration of the material, as this gives the material a distinct behavior from which it was initially known. In this context, this work seeks to evaluate the compaction with normal Proctor energy level of a granular soil of great application in the municipality of Aripuanã / MT, in order to identify if there is a significant granulometric change. The study material is a granular soil of the municipality of Aripuana-MT, coordinates of 10 11'5.51 "S and 59 22'43.19" W, elevation in relation to sea level of 308 m and is classified by AASHTO-TRB and UCS respectively as A-2-4 and GM. It was concluded that the evaluated sample presented changes in the Cu and Cc coefficients and that the evaluation of the alteration of the granulometric structure of the sample was best presented by quantity of material for a given sieve interval. Keywords: Compaction, Geotechnics, Particle Breaking, Granular Soil Introdução Na construção de rodovias, barragens, aterros, taludes ou qualquer obra do gênero é necessário o emprego de solos com valores mínimos de resistência. Por vezes o solo a disposição em sua condição natural não é capaz de fornecer tal capacidade resistente, sendo então, empregadas técnicas de melhoramento de solo e quando estas são ineficazes ou antieconômicas é empregado um novo material. Dentre as técnicas de melhoramento de solos comumente empregadas em obras de terra a compactação é a que mais se destaca, por ser uma técnica simples e permitir o emprego de material disponível no próprio local ou de suas proximidades e assim minimizar gastos com movimentação de terra. O processo de compactação pode ser definido como um mecanismo de acréscimo de capacidade de suporte a um material, por meio da diminuição dos espaços vazios, com a reacomodação das partículas, da manutenção da umidade e através da aplicação de uma ação mecânica. A modificação da configuração granulométrica durante o processo de compactação confere a o material um comportamento distinto do qual inicialmente conhecia-se. Segundo DAS (2007), cada solo possui como característica individual uma determinada distribuição granulométrica e consequentemente valores específicos dos coeficientes de uniformidade (Cu) e curvatura (Cc), que auxiliam na avalição do tipo desta granulometria e também influenciam diretamente em diversas propriedades do solo em estado natural ou compactado. De acordo com diversos autores como CAPUTO (1996), PINTO (2006) e DAS (2007), o coeficiente de curvatura avalia a condição de bem ou mal graduado do solo, definindo-se como bem graduado os solos com coeficiente Cu maiores que cerca de 4 para pedregulhos, 6 para areias e um coeficiente Cc entre 1 e 3, além de estabelecer também que quanto maiores os valores de Cu mais bem graduado é a sua granulometria. Neste contexto, este trabalho busca avaliar a compactação com nível de energia de Proctor normal de um solo granular de grande aplicação no município de Aripuanã/MT, de modo identificar se há ocorrência da quebra das partículas no nível de energia de Proctor normal, o valor da capacidade de suporte do solo e se a configuração granulométrica

3 resultante é suficientemente distinta da inicial para que o novo material obtenha novos coeficientes de uniformidade e curvatura. Metodologia O material de estudo trata-se de um solo das coordenadas de 10 11'5.51"S e 59 22'43.19"O, elevação em relação ao nível do mar de 308 m, que dista 8,0 km do perímetro urbano do município de Aripuanã e classificado conforme o sistema AASTHO-TRB como A-2-4 (0) e pelo sistema UCS como pedregulho siltoso com areia. O material coletado foi retirado a uma de profundidade 1,5 m da cota de superfície, sendo retirado uma amostra de 100 kg (dois sacos de 50 kg) e transportado até o Laboratório de Engenharia Civil da Unemat, Campus Sinop, aonde foi disposto sob uma lona em um local seco, coberto e arejado de modo a atingir a umidade higroscópica conforme preconiza a norma ABNT (1986). Posteriormente, para a caracterização geotécnica foram realizados os ensaios: limite de liquidez (ABNT, 1984a), limite de plasticidade (ABNT, 1984b), análise granulométrica (ABNT, 1984c). Para a avaliação do processo de compactação, definiu-se o nível de energia de Proctor normal de acordo com as prescrições normativas da norma de ensaios de compactação ABNT (1986), sendo realizado a compactação em molde grande, sem reutilização de material e com substituição de material de granulométrica maior que 19,00 mm e apresentando-se em quantidade superior a 10% e inferior a 30%. Com amostra compactada nos moldes grandes e em diferentes umidades realizou-se a aferição dos valores Índice de Suporte Califórnia dela e posteriormente a curva de capacidade de suporte seguindo as prescrições normativas da ABNT (1987). Realizado e estabelecida a curva de compactação da referida amostra, procedeu-se com determinação do seu teor de umidade ótimo de compactação e preparou-se em seguida duas novas porções de material para a compactação, em que uma foi analisada sem o processo de compactação (Pré compactação) e a outra com a compactação (Pós compactação). As análises de caracterização e classificação foram realizadas com o solo nas condições natural, Pré compactação e Pós compactação, sendo posteriormente estudadas as alterações na distribuição granulométrica em cada condição de estudo. O fato do coeficiente Cu exibir apenas a amplitude dos tamanhos dos grãos conforme já retratado por PINTO (2006), implicou no emprego e avaliação do coeficiente Cc, pois tal coeficiente detecta melhor o melhor o formato da curva granulométrica, possibilitando notar a existência de eventuais descontinuidades ou concentrações muito altas de grãos mais grossos no perfil granulométrico. A determinação dos coeficientes Cu e Cc foi realizada com as equações 1 e 2, respectivamente. Cu = D60 D10 Cc = D302 D60 x D10 Equação 1 Equação 2 Onde: D10: Representa a malha em que 10% da partículas do solo passam integralmente.

4 Peso Específico Seco Máximo (kn/m³) Indice de Suporte Califórnia I CONGRESSO DAS ENGENHARIAS DO ESTADO DE MATO GROSSO D30: Representa a malha em que 30% da partículas do solo passam integralmente. D60: Representa a malha em que 60% da partículas do solo passam integralmente. Para a verificação da fração granulométrica grossa da amostra, foi necessário reduzir o tempo de peneiramento requerido de acordo com a norma ABNT (1984c) pelo agitador de peneiras de 10 para 2 minutos, pois identificou-se uma excessiva quebra, polimento e diminuição da rugosidade das partículas no processo de peneiramento. Ao verificar-se que as amostras estudadas possuíam duas frações de solos distintas e em quantidades expressivas como a parte de finos (material com granulometria inferior a 2,00 mm) e de grossos (material com granulometria superior a 2,00), realizou-se a granulometria conjunta peneiramento e sedimentação, conforme ABNT (1984c). Resultados Ao se realizar a curva de compactação da amostra com energia de Proctor normal, executou-se posteriormente a aferição da curva de capacidade da amostra e verificou-se que o seu valor de umidade ótima é de cerca de 18,40 %, peso especifico seco máximo de 16,56 kn/m³ e Índice de Suporte Califórnia nas condições de umidade ótima e energia de Proctor normal de 23,1 como é retratado na Figura 01. A expansão máxima da amostra na condição ótima foi de 0,13 mm. 17, ,5 16,0 15,5 15,0 14, , Umidade (%) Legenda Curva de Compactação Curva de Capacidade de Suporte Figura 01- Curva de compactação em energia de Proctor normal da amostra. Fonte: Os autores. Com o valor de umidade ótima realizou-se a compactação da amostra nesta condição e as respectivas análises granulométricas posteriormente, sendo obtidas as curvas granulométricas da amostra em sua condição natural, na condição específica da compactação estando não compactada e na condição real após a compactação representadas na Figura 2.

5 Porcentagem que passa (%) I CONGRESSO DAS ENGENHARIAS DO ESTADO DE MATO GROSSO Amostra Natural (Sem substituição de material) Pré-compactação (Com substituição de material) Amostra Pós-compactação 0 0,0001 0,0010 0,0100 0,1000 1, , ,0000 Argila Silte Areia Pedregulho ABNT - NBR 6502 (1995) Diâmetro da partícula (mm) Figura 2- Perfil granulométrico da amostra. Fonte: Os Autores. Aliado as informações gráficas das curvas granulométricas e das informações obtidas dos ensaios de consistência, é apresentado na Tabela 1 os coeficientes Cu e Cc e a classificação dos materiais obtidos no sistema mais empregado no âmbito rodoviário e no sistema tido em geral como geotécnico, sendo respectivamente o AASHTO-TRB e o USC. Tabela 1- Valores dos coeficientes Cu e Cc obtidos das amostras estudadas, bem como suas classificações geotécnicas. Amostra Natural Pré compactação Pós compactação D60 5,5 7,8 6 D30 1,5 1,5 1,5 D10 0, , ,00035 Cu 15714, , ,8 Cc 1168,8 824,2 1071,4 IG IP LL Classificação Unificada GM GM SM Classificação AASHTO-TRB A-2-4 A-2-4 A-2-4 Fonte: Os autores.

6 Porcentagem de material (%) I CONGRESSO DAS ENGENHARIAS DO ESTADO DE MATO GROSSO Observando os valores dos coeficientes encontrados na Tabela 1, notou-se que a amostra ainda em sua condição natural, já possuía um elevado valor de Cu, que ao se adequar a amostra para o processo de compactação 1 ocorria um altíssimo incremento do coeficiente Cu, porém que ao proceder-se com a compactação do material o tal parâmetro reduzia significativamente. Em todos os casos a justificativa dos grandes valores de Cu os materiais estudados serem de granulometria descontínua e que tal coeficiente expressa somente a amplitude do tamanho das partículas do solo. Avaliando o emprego e os valores do coeficiente Cc, percebe-se que este coeficiente cumpriu com a função de melhor avaliar o perfil granulométrico, buscando identificar possíveis vazios ou grandes concentrações de faixas granulométricas uniformes e que a amostra em condição já apresentava elevando valor de Cc, que durante a preparação para a compactação ocorreu uma redução deste coeficiente e uma tentativa de correção da granulometria do solo, porém devido à quebra das partículas os valores de Cc para próximos aos da condição natural da amostra. Verificou-se também conforme a Tabela 1, que o processo de compactação da amostra não alterou o grupo de classificação do sistema de classificação rodoviário AASHTO-TRB, entretanto ocorreu uma pequena alteração de classificação para um grupo próximo no sistema de classificação geotécnico USC devido a quantidade percentual de material com granulometria inferior a 4,70 mm que após a compactação aumentar o suficiente para alterar a classificação do material como mostra a Figura 3. O fato dos coeficientes Cc e Cu não relatarem o modo e as faixas granulométricas ocorreram as maiores alterações leva a ser examinado as variações percentuais granulométricas por faixa de granulometria conforme apresentado na Figura Amostra Natural (Sem substituição) Amostra Pré compactação (Com substituição de material) Amostra Pós compactação 0 0,000-0,002 0,002-0,075 0,075-0,420 0,420-2,00 2,00-4,70 4,70-9,50 9,50-19,00 Diâmetro da Particula (mm) 19,00-25,00 25,00-38,00 38,00-50,00 Figura 3 Valores percentuais de faixas granulométricas da diferentes condições da amostra. 1 Realizando a substituição da fração de solo com granulometria superior à 19,00 mm de diâmetro, pois a quantidade deste material encontrada na amostra era de aproximadamente 11 % e sendo superior a 10 % e inferior a 30% de diâmetro era necessário a troca deste material, por outro com diâmetro entre 4,8 e 19,00 do mesmo solo.

7 Fonte: Os autores Nota-se que em nenhuma condição da amostra ocorreu a alteração da fração fina 2, que a amostra em sua condição natural possui significativa quantidade de material com granulometria maior que 19,00, que o processo de preparação para a compactação substituiu toda a quantidade de material com granulometria maior que 19,00 mm por um material de granulometria da faixa de 4,7 à 19,00 mm, alterando assim tal faixa e que após a compactação da amostra ocorreu uma nova alteração granulométrica na faixa de 4,7 à 19,00 mm, reduzindo a faixa granulométrica de 9,5 à 19,0, e aumentando às de 2,0 à 4,7 mm e 4,7 à 9,0 mm. Conclusão Concluiu-se que as condições ótimas para a compactação da amostra em energia de Proctor normal de acordo com as prescrições normativas vigentes são com umidade de 18,4 % e peso específico seco máximo de 16,54 kn/m³, que resultam em um Índice de Suporte Califórnia de 23,1 e taxa de expansão máxima de 0,13 mm possibilitando o seu emprego como material de sub-base de pavimentos. Verificou-se também que a amostra avaliada apresentou uma significava correção granulométrica com a substituição dos materiais com granulometria maior que 19,0 mm, que ocorreu quebras de seu material constituinte e que em nenhuma etapa ocorreu a alteração de sua fração fina. Identificou-se também que a os coeficiente Cu e Cc foram capazes de relatar as alterações na estrutura granulometria da amostra, entretanto devido a característica descontínua da amostra, tais coeficientes apresentaram elevados valores e que para melhor poder compreender as alterações do perfil granulométrico da amostra recorreu-se por avaliar as faixas granulométricas da amostra. Além do exposto observou-se que após a compactação da amostra, deferentes porções de partículas grossas modificaram seus tamanhos e que devido as características classificatórias do sistema de classificação rodoviário AASHTO-TRB, à classificação da amostra não se alterou e que em contrapartida, devido as diferentes considerações classificatórias do o sistema de classificação geotécnico UCS, foi possível notar a ocorrência de uma pequena alteração de classificação. Com tudo isto, sugere-se à trabalhos futuros a avaliação da quebra das partículas deste material em níveis de energia maiores ao de Proctor normal e analisar a variação da capacidade de suporte deste material, deformação, expansibilidade e permeabilidade juntamente com a variação de sua granulometria. Agradecimentos Agradecimentos são tecidos a Universidade do Estado de Mato Grosso, campus Sinop por possibilitar a realização de grande parte deste trabalho em seus laboratórios, ao corpo docente de engenharia civil da Unemat, Campus Sinop por incentivar e motivar a realização da pesquisa e ao Sr. Manoel Messias da Silva e Sra. Jeselda Maria Schaedler da Silva por apoiar e motivar o comprimento deste trabalho e também por auxiliar na coleta e transporte das amostras até o Laboratório de Engenharia Civil da Unemat, campus Sinop. 2 Fração com granulometria inferior a 2,00 e que designa as frações de areia, silte e argila.

8 Referências Bibliográficas ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6489: Determinação do limite de liquidez. Rio de Janeiro, RJ, 6p, 1984a.. NBR 7180: Solo - Determinação do limite de plasticidade. Rio de Janeiro, RJ, 3p, 1984b.. NBR 7181: Solo - Análise granulométrica. Rio de Janeiro, RJ, 13p, 1984c.. NBR 7182: Solo - Ensaio de compactação. Rio de Janeiro, RJ, 10p, NBR 9895: Índice de Suporte Califórnia. Rio de Janeiro, RJ, p. CAPUTO, H. P. Mecânica dos Solos e suas Aplicações. 234 p. Ed. Livros Técnicos e Científicos Editora S. A. Rio de Janeiro DAS, B.M. Fundamentos de engenharia geotécnica. Thomson Learning, tradução 6ª edição americana, São Paulo, p.577, DEPARTAMENTO NACIONAL DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES - DNIT. Manual de Pavimentação. 3. ed. Rio de Janeiro, p. PINTO, C. S. Curso Básico de Mecânica dos Solos. 3º. Ed. São Paulo: Oficina de Textos, 2006.