1 1. COMPACTAÇÃOO DOS SOLOS Compactação do solo é o processo manual ou mecânico que visa reduzir o volume de vazios do solo, melhorando as suas características de resistência, deformabilidade e permeabilidade. Pode ser feito tanto em laboratório como no campo. Quando o solo é compactado, procura-se atingir os seguintes objetivos: Aumentar o contato entre os grãos; Reduzir o volume de vazios; Aumentar a resistência; Gerar um material mais homogêneo; Reduzir a permeabilidade e a compressibilidade. Os solos compactados são utilizados em estabilização de maciços terrosos, pavimentação, barragens de terra e aterros, sendo que os fatores que interferem no processo de compactação são o teor de umidade do solo e a energia aplicada. Em laboratório, deve ser realizado o ensaio de compactação para determinar a curva de compactação e parâmetros como a umidade ótima (w ot ) e o peso específico aparente seco máximo ( dmá ám). Já a capacidade de suporte do solo compactado é determinada através do ensaio de CBR (Califórnia Bearing Ratio). Ainda no caso de solos tropicais, foi desenvolvida uma especifica conhecida como MCT (Minitura, Compactado, Tropical) ). Para executar a compactação no campo, podem ser utilizados vários tipos de equipamentos em função do material que será compactado, sendo que o controle é feito com base nos parâmetros determinados em laboratório. 2. Curva de Compactação Proctor (1993) desenvolveu o ensaio dinâmico para determinação da curva de compactação (Figura 1). (Slide)
2 Ramo Seco Ramo Úmido Figura 1 - Curva de Compactação. Curva de compactação é a relação entre o peso especifico seco versus teor de umidade. No ponto de inflexão da curva determinamos o teor de umidade ótimo (w ot ) que representa que se um solo compactado com a energia do ensaio, nesse teor de umidade ele apresentará o peso especifico aparente seco máximo. No ramo seco, a água lubrifica as partículas e facilita o arranjo desta, ocorrendo por essa razão, o acréscimo do peso especifico aparente seco. No ramo úmido, a água amortiza a compactação e começa a ter mais água do que sólidos, sendo por essa razão, a diminuição do peso especifico aparente seco. Observa-se ainda que para baixos teores de umidade (w<w ot ), as forças capilares são elevadas o que gera a formação de grumos e conseqüentemente baixos valores de d. Já para elevados teores de umidade (w>w ot ) as forças capilares diminuem e existe água em excesso. Como a água é incompressível, parte da energia é dissipada e ocorre uma má compactação do solo. A norma é a NBR 7182 (ABNT, 1986). O ensaio consiste em compactar uma porção de solo em um cilindro padrão, com um soquete, caindo em queda livre de uma altura de 30 cm. As energias especificadas na norma são: normal, intermediária e modificada, variando dimensões do molde e do soquete, número de camadas e golpes, conforme pode ser observado na Tabela 1.
3 Tabela 1 Características inerentes de cada energia (Copilado da NRB 7182/1986) Para determinar a curva de compactação deve-se moldar 5 corpos de prova na energia especificada, variando-se a quantidade de água incorporada ao solo. Os corpos de prova são pesados e deve-se determinar ainda o teor de umidade de cada um deles. Com estes dados calcula-se: P = V d = w 1 + 100 Onde: = peso específico do solo (kn/m 3 ); P = peso do molde (KN); V = volume de molde (m 3 ); d = peso específico do solo seco (kn/m 3 ); w = teor de umidade (%) Coloca-se os 5 pontos no gráfico x w e traça-se a curva de compactação unindo-se as retas do ramo seco e do ramo úmido com uma parábola. Com esses dados determina-se w ot e dmax (Figura 2). Figura 2 - Curva de Compactação.
4 Realizar o ensaio de compactação com ou sem reuso? Sem reuso exige-se maior quantidade de material, mas obtêm-se resultados mais confiáveis já que dependendo do tipo de solo pode ocorrer quebra de partículas com a recompactação do material (prejudicando os resulatdos). É o caso, por exemplo, de solos tropicais que possuem concreções lateríticas (óxido de ferro e alumínio muito intemperizados, ocorre reações químicas agregando-se e formando concreções). Realizar o ensaio de compactação com secagem prévia? É mais comum realizar ensaios com secagem prévia. No entanto, a pré-secagem pode influenciar nas propriedades dos solos e dificultar a sua homogeneização. Em alguns casos, dependendo da obra, recomenda-se executar o ensaio com a umidade natural. Existe algum detalhe que deve ser observado para solos pedregulhosos? Pode ocorrer a formação de ninhos na interface solo-cilindro e heterogeneidade no material. Sendo assim, a norma limita o diâmetro máximo de 4,8 mm para o material ser compactado. Para solos fora desta especificação recomenda-se utilizar cilindros com dimensões maiores ou substituir o material. 3. Curva de Saturação A curva de saturação corresponde ao lugar geométrico dos valores de w e d onde o solo está saturado. Podem ser determinadas curvas para diversos graus de saturação, sendo importante ressaltar que a curva de compactação se localiza abaixo da curva de saturação 100%. Para determinar os pontos da curva de saturação utiliza-se a equação abaixo: S. s. W d = S. +. w w s Onde: d = peso específico aparente seco (kn/m 3 ); S = grau de saturação (%); w = peso específico da água (aproximadamente 10 kn/m 3 ); s = peso específico real dos grãos; w= umidade (%). Para um valor fixo de S determina-se pares de valores de w e d e obtém-se curvas como mostradas na Figura 3. Geralmente a curva de saturação 100% é traçada junto com a curva de compactação. Observa-se que os pontos ótimos da curva de compactação se situam em torno de 80% a 90% de saturação.
5 d (kn/m 3 ) 17,0 16,5 16,0 15,5 S=80% S=90% S=100% 15,0 14,5 14,0 13,5 13,0 12,5 12,0 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 w (%) Figura 3 - Curvas de saturação 4. Estrutura dos Solos Compactados Os solos apresentam estruturas diferentes que variam com a quantidade de água presente nos seus vazios (Figura 4). Os solos quando compactados no ramo seco apresentam uma estrutura mais floculada que se pronuncia mais com a diminuição da energia. As forças de atração entre as partículas geram flocos indestrutíveis. Já no ramo úmido, a estrutura se apresenta mais dispersa, sendo que esta característica é mais presente quanto maior é a energia de compactação. Com o aumento da umidade as forças de atração são desfeitas e os grãos começam a atuar como partículas dispersas em água. d (kn/m 3 ) 16,5 16,0 15,5 15,0 14,5 14,0 13,5 13,0 12,5 12,0 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 w (%) Figura 4. Estrutura dos solos compactados.
6 5. Resistência dos Solos Compactados A resistência dos solos compactados é analisada através da determinação do CBR (Califórnia Bearing Ratio) ou ISC (Índice de Suporte Califórnia). Depois de compactar os corpos de prova, deixa os moldes 4 dias imersos em água para medir a expansão. Para medir a resistência, leva-se o corpo de prova para a prensa (Figura 5), onde mede-se a penetração de um pistão padrão no solo compactado (NBR 9895). Relaciona-se a pressão aplicada, obtida pelo anel dinamométrico ou por um manômetro, com a penetração medida pelo deflectômetro. p CBR = p O CBR é calculado a partir da equação abaixo: c p 100 onde: p c = pressão calculada ou corrigida aplicada no ensaio; p p = pressão padrão da brita (obtida de acordo com a Tabela 2) Tabela 2 - Valor da pressão padrão da brita. Penetração (mm) Pressão padrão (MPa) 2,54 6,90 5,08 10,35 Realizando-se o ensaio de CBR com os 5 corpos de prova é possível determinar um gráfico de CBR x w (Figura 5). CBR (%) 16 14 12 10 8 6 4 2 0 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 w (% ) Figura 5 - Curva de CBR. 6. Influência da Energia PhNn E = V A energia de compactação é determinada pela seguinte equação:
7 onde: E = energia de compactação por unidade de volume; P = peso do soquete; h = altura de queda do soquete; N = número de golpes por camada; n = número de camadas; V = volume do solo compactado. A Figura 6 apresenta a variação das curvas de compactação de um mesmo solo em função da energia aplicada. Observa-se que quanto maior é a energia, maior é dmax e menor é w ot. A linha que passa pelos picos das curvas e conhecida como Linha de Ótimos. d (kn/m 3 ) 18,5 18,0 17,5 17,0 16,5 16,0 15,5 15,0 14,5 14,0 13,5 13,0 12,5 12,0 E3 E2 E1 E1 < E2 < E3 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 w (%) Figura 6. Variação da curva de compactação com a energia. 7. Influência da Saturação Quando se realiza o ensaio de compressão simples no solo compactado obtém-se um gráfico como apresentado na Figura 7a, onde observa-se uma queda da resistência com a incorporação de água ao solo. Comparando-se este gráfico com as curvas de compactação e saturação apresentadas na Figura 7b pode-se observar os seguintes fatos: Quando o solo é compactado numa umidade baixa (w i < w ot ), tem-se uma resistência R i maior. Ao mesmo tempo, como d é baixo tem-se um índice de vazios elevado; Com a saturação, obtém-se uma umidade w f que corresponde a uma resistência R f muito baixa; Quando o solo é compactado próximo à w ot, tem-se uma variação de resistência entre R i e R f bem menor, o que é o ideal, pois assim tem-se a resistência mais estável. Por isso é que o solo deve ser compactado próximo à w ot.
8 Ri Ri R Rf (a) Rf w d S = 100% (b) wi wot wf w Figura 7. Influência da saturação no solo compactado. 8. Compactação no Campo O processo de compactação no campo pode ocorrer de quatro maneiras: Por compressão, onde a força vertical é o peso próprio do equipamento. Corresponde aos compressores de rodas metálicas com elevado peso e pequena superfície de contato. Indicado para solos granulares, macadames e britas graduadas, sendo que para solos com baixa capacidade de suporte inicial a compactação não fica homogênea; Por amassamento, onde atuam a força vertical (peso) e a força horizontal (efeitos dinâmicos). Consiste nos rolos pneumáticos com rodas oscilantes e nos rolos péde-carneiro, sendo que o processo gera um adensamento mais rápido do solo; Por vibração, onde a força vertical é aplicada com freqüências maiores que 500 golpes/min. Existem vários tipos de equipamentos com a freqüência variando entre 900 e 2000 golpes/min, sendo que a situação ideal ocorre quando a compactação do rolo se combina com a oscilação do material;
9 Por impacto. Semelhante ao processo por vibração, sendo que a freqüência é menor que 500 golpes/min. Consiste em equipamentos do tio sapo mecânico e bate-estacas, utilizados em locais de difícil acesso. A escolha do equipamento que irá ser utilizado no campo depende principalmente do tipo de material que se deseja compactar. Os principais equipamentos utilizados são: Rolos lisos de rodas de aço Consistem no equipamento mais antigo. Os fatores que interferem na compactação são a carga por unidade de largura das rodas, largura e diâmetro das rodas. São utilizados para compactar pedregulhos, areias bem graduadas, misturas de areia a argila de média plasticidade e para a compactação de acabamento. Não são recomendados para areias uniformes e solos finos com elevada plasticidade, podendo ocorrer má compactação das camadas inferiores. Rolos pneumáticos Existem rolos rebocados com um eixo (mais pesados), rebocados com dois eixos (leves; 8 a 13 t) e auto-propulsores (8 a 36 t). São aplicados para solos arenosos ou pouco coesivos, devendo-se ter cuidados especiais com a velocidade de operação (5 a 8 km/h). Os principais fatores que interferem na compactação são a pressão de enchimento dos pneus, área de contato entre pneu e superfície e a pressão de contato. Na seleção do tipo de equipamento a ser utilizado deve-se observar o espaçamento entre rodas, peso bruto e número de rodas. Rolos pé-de-carneiro Estes rolos são compostos de cilindros metálicos ocos com patas adaptadas (15 a 25 cm). Geralmente, as filas com as patas são alternadas com 4 patas por fila e o diâmetro do tambor varia entre 1,0 e 1,5 m. Este tipo de equipamento gera maior porcentagem de vazios que os rolos pneumáticos e lisos. Os fatores que interferem na compactação são a pressão dos pés-de-carnerio, extensão da camada comprimida pelo rolo, peso total do rolo, área de contato de cada pé, número de pés em contato com a camada num dado tempo e o número total de pés por tambor.
10 Rolos vibratórios Podem ser compostos por um ou dois cilindros, rebocados ou não e são eficientes para materiais não coesivos. Os fatores que interferem são a freqüência de vibração (1750 vpm a 3000 vpm), amplitude (0,3 mm a 0,7 mm), força dinâmica, força estática, formas e dimensões da área de contato e estabilidade do equipamento. Existem outros tipos de equipamentos como o rolo de grelha, as placas vibratórias, os rolos combinados e os soquetes mecânicos. O controle de compactação no campo se baseia na verificação do teor de umidade e do peso específico aparente seco. Na obra, é fixada uma faixa de variação da umidade permitida em torno da ótima (geralmente, w ot ± 2%). Para determinar a umidade no campo pode-se utilizar três métodos: coleta de amostras hermeticamente fechadas e determinação da umidade em laboratório; método da frigideira; Speedy. O peso específico aparente seco de campo pode ser determinado através do ensaio de frasco de areia (NBR 7185). Com este dado é possível determinar o Grau de Compactação (GC) que para ser considerado aceitável deve variar entre 95% e 100%. GC = d d max 100 onde: d = peso específico aparente seco máximo de campo (kn/m 3 ); dmax = peso específico aparente seco máximo determinado em laboratório (kn/m 3 ). Assim, para executar a compactação no campo deve-se seguir as seguintes etapas: 1- Escolha da área de empréstimo Deve-se considerar o critério técnico-econômico, distância de transporte, características geotécnicas e relação da umidade natural com a umidade de compactação. 2- Transporte e espalhamento do solo Durante o espalhamento deve-se observar a relação entre a espessura da camada solta e da camada final. 3- Acerto da umidade
11 Deve-se colocar o solo na umidade especificada por processos de irrigação ou secagem e proceder a melhor homogeneização possível. 4- Compactação Deve-se utilizar os equipamentos especificados de acordo com o tipo de solo e controlar o número de passadas necessário para atingir a energia de compactação desejada. 5- Controle Deve-se controlar a umidade e o peso específico aparente seco no campo.