Cap. 3 EM OBRA 1
Aspectos a abordar 1. Execução caracterização dos materiais escolha do equipamento aterros experimentais 2. Controlo da execução escolha das propriedades a medir e medição in situ dessas propriedades (geralmente, a determinação do teor em água e do peso volúmico seco) Valores de referência para validação 1. EXECUÇÃO Caracterização dos materiais 2
Análise granulométrica Especificação E-219 fracções granulométricas Argila Silte Areia Seixo ou Cascalho Calhau Pedra fino médio grosso fina média grossa fino médio grosso 0,002 0,006 0,02 0,06 0,2 0,6 2,0 6,0 20 60 150 [mm] Por uma questão de controlo de qualidade, e principalmente em estruturas em que a granulometria é importante como é o caso das barragens, tem que verificar que o solo a colocar tem granulometria dentro do fuso granulométrico definido em projecto e que esta se mantém nos limites aceitáveis após a compactação. Também é fundamental ver como varia a granulometria após a compactação 3
Análise da granulometria antes e depois da compactação estática - curvas médias 100 90 % acumulada de material que passa 80 70 60 50 40 30 20 10 Curva Média Adoptada - depois de compactar 0 0.01 0.1 1 10 100 1000 Diâmetro (mm) #4 Fuso máximo antes de compactar Fuso mínimo antes de compactar Curva Média Adoptada - antes de compactar Fuso máximo depois de compactar Fuso mínimo depois de compactar análise da granulometria após compactação estática 100 90 % acumulada de material que passa 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Núcleo 15ª camada (Compact nº57) Núcleo 19ª camada (Compact nº59) Núcleo 21ª camada (Compact nº60) Núcleo 22ª camada (Compact nº61) Núcleo 28ª camada (Compact nº71) Núcleo 29ª camada (Compact nº72) Núcleo 30ª camada (Compact nº74) Núcleo 32ª camada (Compact nº77) Núcleo 33ª camada (Compact nº81) Núcleo 34ª camada (Compact nº82) Núcleo 35ª camada (Compact nº84) Núcleo 36ª camada (Compact nº89) Núcleo 37ª camada (Compact nº91) Núcleo 38ª camada (Compact nº92) Núcleo 41ª camada (Compact nº93) Núcleo 2ª camada (Compact nº49) Núcleo 4ª camada (Compact nº50) Núcleo 7ª camada (Compact nº53) Núcleo 9ª camada (Compact nº54) #4 Fuso máximo depois de compactar Fuso mínimo depois de compactar Curva Adoptada 0.01 0.1 1 10 100 1000 Diâmetro (mm) 4
Determinação dos limites de consistência normas NP-143 (1969) e NP-84 (1965) São valores de teor em água que marcam fronteiras de comportamento (aplicáveis apenas a materiais plásticos) Ww w - Teor em água w(%) = 100% Ws IP - Índice de plasticidade IP= w L w P SÓLIDO SEMI SÓLIDO PLÁSTICO LÍQUIDO Comp. moldável w = 0 w (%) w R Limite de retracção w P Limite de plasticidade w L Limite de liquidez Classificação do solo Classificação unificada (ASTM) Nome = Símbolo + descrição G (gravel - cascalho) S (sand areia) M (milt silte) C (clay argila) O (organic (orgânico) Também chamada Classificação de Casagrande e é adoptada no Regulamento de Pequenas Barragens de Terra W (well bem graduado) P (poorly mal graduado) L (low pouco plástico) H (high muito plástico) Solos Grossos % retida no #200 >50% - Quadro 1 Solos Finos % retida no #200 50% - Quadro 2 5
Quadro 1 - Solos Grossos Solos Grossos % retida no #200 >50% Elementos de Engenharia Civil, Geotecnia Cascalho % cascalho> % areia Areia % areia % cascalho %finos< 5 5 %finos 12 %finos> 12 %finos< 5 5 %finos 12 %finos> 12 C u >4 e 1 C c 3 C u 4 e/ou [C c <1 ou C c >3] C u >4 e 1 C c 3 e finos ML ou MH C u >4 e 1 C c 3 e finos CL ou CH ou CL-ML C u 4 e/ou [C c <1 ou C c >3] e finos ML ou MH C u 4 e/ou [C c <1 ou C c >3] e finos CL ou CH ou CL-ML finos ML ou MH finos CL ou CH finos CL-ML C u >4 e 1 C c 3 C u 4 e/ou [C c <1 ou C c >3] C u >4 e 1 C c 3 e finos ML ou MH C u >4 e 1 C c 3 e finos CL ou CH ou CL-ML C u 4 e/ou (C c <1 ou C c >3) e finos ML ou MH C u 4 e/ou [C c <1 ou C c >3] e finos CL ou CH ou CL-ML finos CL ou CH finos ML ou MH finos CL-ML GW GM GW GC GP GM GP GC GM GC GC GM SW SP SW SM SW SC SP SM SP SC SC SM SC SM (*) Se os finos são orgânicos, juntar e finos orgânicos Restantes notas: ver no fim do Quadro 2 GW GP cascalho bem graduado (1) cascalho mal graduado (1) cascalho bem graduado com silte (2) finos CL ou CH: cascalho bem graduado com argila (2) finos CL-ML: cascalho bem graduado com argila siltosa (2) cascalho mal graduado com silte (2) finos CL ou CH: cascalho mal graduado com argila (2) finos CL-ML: cascalho mal graduado com argila siltosa (2) cascalho siltoso (1) (*) cascalho argiloso (1) (*) cascalho argilo-siltoso (1) (*) areia bem graduada (3) areia mal graduada (3) areia bem graduada com silte (4) finos CL ou CH: areia bem graduada com argila (4) finos CL-ML: areia bem graduada com argila siltosa (4) areia mal graduada com silte (4) finos CL ou CH: areia mal graduada com argila (4) finos CL-ML: areia mal graduada com argila siltosa (4) areia argilosa (3) (*) areia siltosa (3) (*) areia argilo-siltosa (3) (*) Quadro 2 Solos Finos e Solos Orgânicos Elementos de Engenharia Civil, Geotecnia Solos Finos % retida no #200 50% Solos altamente orgânicos Inorgânicos w L (seco em estufa) 0,75 w L (sem secagem) Orgânicos w L (seco em estufa) <0,75 w L (sem secagem) Siltes e Argilas w L <50% Siltes e Argilas w L 50% Siltes e Argilas w L <50% Siltes e Argilas w L 50% Principalmente matéria orgânica: cor escura e odor orgânico IP>7 e situa-se na linha A ou acima 4 IP 7 e situa-se na linha A ou acima IP<4 ou situa-se abaixo da linha A IP>7 e situa-se na linha A ou acima 4 IP 7 e situa-se na linha A ou acima IP<4 ou situa-se abaixo da linha A OL OH Pt CL CL ML ML CH CH MH MH se %retida no #200 15: argila magra se 15< %retida no #200 <30: argila magra (5)(6) se %retida no #200 30: argila magra (7)(8)(9)(10) se %retida no #200 15: argila siltosa se 15< %retida no #200 <30: argila siltosa (5)(6) se %retida no #200 30:argila siltosa (7)(8)(9)(10) se %retida no #200 15:silte se 15< %retida no #200 <30:silte (5)(6) se %retida no #200 30:silte (7)(8)(9)(10) se %retida no #200 15:argila gorda se 15< %retida no #200 <30: argila gorda (5)(6) se %retida no #200 30: argila gorda (7)(8)(9)(10) se %retida no #200 15: argila gorda siltosa se 15< %retida no #200 <30: argila gorda siltosa (5)(6) se %retida no #200 30: argila gorda siltosa (7)(8)(9)(10) se %retida no #200 15:silte elástico se 15< %retida no #200 <30: silte elástico (5)(6) se %retida no #200 30: silte elástico (7)(8)(9)(10) se %retida no #200 15: silte orgânico se 15< %retida no #200 <30: silte orgânico (5)(6) se %retida no #200 30: silte orgânico (7)(8)(9)(10) se %retida no #200 15: argila orgânica se 15< %retida no #200 <30: argila orgânica (5)(6) se %retida no #200 30: % areia % cascalho - %areia 15 -argila orgânica (7)(8)(9)(10) turfa (1) se o solo contém %areia 15% juntar com areia ao nome (2) se o solo contém %areia 15% juntar e areia ao nome (3) se o solo contém %cascalho 15% juntar com cascalho ao nome (4) se o solo contém %cascalho 15% juntar e cascalho ao nome (5) se %areia %cascalho juntar com areia ao nome (6) se %cascalho > %areia juntar com cascalho ao nome (7) se %areia %cascalho e %areia 15% juntar arenosa/o ao nome (8) se %areia %cascalho e %areia <15% juntar e areia ao nome (9) se %cascalho >%areia e %cascalho 15% juntar cascalhenta/o ao nome (10) se %cascalho >%areia e %cascalho <15% juntar e cascalho ao nome 6
Carta de Plasticidade (fracção fina) 60 Linha U IP=0,90(wL-8) Linha A IP=0,73(wL-20) IP - Índice de plasticidade (%) 50 CH ou OH 40 30 CL ou OL 20 MH ou OH 10 CL-ML ML ou OL 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 w L - Limite de liquidez (%) Principais propriedades dos solos Símbolo Permeabilidade quando compactado Resistência ao corte quando compactado e saturado Compressibilidade quando compactado e saturado Trabalhabilidade como material de construção GW Permeável Excelente Desprezável Excelente GP Muito permeável Boa Desprezável Boa GM Semi-permeável a permeável Boa Desprezável Boa GC Impermeável Boa a razoável Muito baixa Boa SW Permeável Excelente Desprezável Excelente SP Permeável Boa Muito baixa Razoável SM Semi-permeável a impermeável Boa Baixa Razoável SC Impermeável Boa a razoável Baixa Razoável ML Semi-permeável a impermeável Razoável Média Razoável CL Impermeável Razoável Média Boa a razoável OL Semi-permeável a impermeável Má média Razoável MH Semi-permeável a impermeável Razoável a má Alta Má CH Impermeável Má Alta Má OH Impermeável Má alta Má Pt --- --- --- --- 7
Viabilidade relativa de utilização Classificação para fins rodoviários (E 240-1970) 8
Cálculo do índice de grupo IG IG=0,2a+0,005ac+0,01bd a diferença entre a percentagem de material que passa no peneiro #200 (D=0,075 mm) e 35, mas a=40 se percentagem >75 e a=0 se <35 b diferença entre a percentagem de material que passa no peneiro #200 (D=0,075 mm) e 15, mas b=40 se percentagem >55 e b=0 se <15 c diferença entre o limite de liquidez e 40, mas c=20 se o limite é >60 e c=0 se é <40 Os ábacos são uma alternativa ao uso da expressão de IG d diferença entre o índice de plasticidade e 10, mas d=20 se o índice é >30 e c=0 se é <10 Exemplo de aplicação Classifique os solos cujas curvas granulométricas e limites de consistência se apresentam, considerando as seguites classificações: % material que passa no peneiro xx 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Solo A Solo B #200 #80 #40 #10 #4 #3/8"#1/4#3/4"#1" Série ASTM w L A 32% B NP 0.01 0.1 1 10 100 D (mm) w P 12% NP 9
a) Classificação Unificada: Solo A: CL-argila magra arenosa (classificação 9 ou 7) Solo B: GP-cascalho mal graduado com areia (classificação 3) b) Classificação para fins rodoviários: Solo A: A-6 (9) - solo argiloso (regular a mau) Solo B: A-1-a calhau, seixo e areia (excelente a bom) Curva de compactação Só faz sentido falar da curva de compactação para solos com elevada percentagem de finos (finos=material que passa no peneiro ASTM #3/4 ). A escolha da energia de compactação e do lado da curva a compactar depende do tipo de aterro: Compactação leve, lado húmido: Barragens Compactação pesada, lado seco: Aterros de estradas e outras vias de comunicação Mais tarde vai-se compreender o porquê desta escolha. 10
Os ensaios de compactação estão limitados à máxima dimensão das partículas que é aceitável para cada molde de modo a ser uma amostra representativa do terreno. Solo (quando se justifica fazer os ensaios): Quando a percentagem de material passado no #3/4 (20mm) é superior a 70%-75% - Molde grande (molde do ensaio CBR) Quando a percentagem de material passado no #4 (4,75mm) é superior a 70%-75% - Molde pequeno Enrocamento: Não se justifica fazer curva de compactação 11
Misturas de solo e enrocamento: Quando a percentagem de material retido no #3/4 está entre 30% e 70%, a percentagem de material que passa no #200 está entre 12% e 40% e a dimensão máxima é inferior a 40cm e a 1/3 da espessura da camada Em obra tem que se garantir que as alterações granulométricas sofridas no processo de compactação se mantém para que se possa ter uma referência. A quantidade de água depende das percentagens de finos e de grossos na mistura. A determinação do valor óptimo deve ser feita em laboratório depois de se estudarem várias composições da mistura: Caldeira e Brito (2007) 12
O objectivo destes estudos é essencialmente determinar os valores a usar como referência da obra conhecendo os valores determinados no laboratório com uma granulometria truncada γ T d,max F I C PC γ d γ wg = 100 γ P + I P γ w F C F M F d P C w T wopt = 100 P F C F opt opt P C percentagem de grossos γ F d, w F opt pontos óptimos da curva de compactação γ T d,max w T opt- pontos óptimos em obra γ w -peso volúmico da água G M -densidade das partículas sólidas P F percentagem de finos IC e Fopt - parâmetros de calibração Avaliação da qualidade dos materiais para compactação Equivalente de Areia O equivalente de areia (E 199-167) permite avaliar a quantidade e a qualidade de elementos finos plásticos contidos numa amostra de solo. Traduz a relação volumétrica entre os elementos arenosos (elementos não floculáveis que sedimentam no fundo de uma proveta normalizada) e a totalidade dos elementos da amostra com dimensões menores que 4,75mm (material que passa no #4). Determina-se o seu valor sempre que o solo é não plástico. Varia de 0-100 (0- material argiloso, 100- material arenoso). Se o valor for inferior a 20 os finos presentes são maioritariamente argilosos. pelo que se deve proceder a ensaios para a determinaçã dos limites de Atterberg. 13
Esta informação é importante especialmente para as misturas de solo-enrocamento pois se o material fino da mistura for essencialmente uma areia poderá haver problemas na compactação (segregação de finos, por exemplo). Neste caso o processo de compactação também é afectado pois terá que se recorrer obrigatoriamente a vibração. Ensaio CBR (para estradas) Nos aterros de estradas é usual medir os valores do CBR (California Bearing Ratio E 198-1967). O CBR consiste em medir a força necessária para que um pistão normalizado penetre num solo a uma dada profundidade, com velocidade constante. O ensaio não é adequado para materiais granulares porque a dispersão dos resultados é muito elevada. Equipamentos e controlo da compactação 14
Equipamentos Os equipamentos de compactação podem ser divididos de acordo com a forma como aplicam a energia ao terreno: Cilindros estáticos (rasto liso de rodas de aço, cilindros de pneus e cilindros de pés de carneiro) Cilindros vibradores (rasto liso de rodas de aço, cilindros de pneus e cilindros de pés de carneiro) Equipamentos de percursão Obras Geotécnicas, 4º Ano Mestrado Integrado em Engenharia Civil 15
Obras Geotécnicas, 4º Ano Mestrado Integrado em Engenharia Civil Obras Geotécnicas, 4º Ano Mestrado Integrado em Engenharia Civil 16
Equipamento de percursão (saltitão) Os equipamentos de percursão são utilizados em áreas reduzidas onde há necessidade de cuidados especiais ou há restrição à circulação dos equipamentos maiores (nos encontros de pontes, perto dos sistemas de drenagem, nos locais da instrumentação, etc). Obras Geotécnicas, 4º Ano Mestrado Integrado em Engenharia Civil 17
Tipo de vibrador mais apropriado para diferentes materiais Tipo de compactador Vibrador Enrocamento Areia e saibro SW SP Aluvião SM ML Argila CH CL Vibrador de placa Cilindro vibrador de rasto liso (3t) Cilindro vibrador de rasto liso (3-5t) Muito aprop Muito aprop Cilindro vibrador de rasto liso (5-10t) Muito aprop Muito aprop Muito aprop Cilindro vibrador de rasto liso (10-15t) Muito aprop Muito aprop Muito aprop Muito aprop Cilindro vibrador de pés de carneiro Legenda: aprop=apropriado Muito aprop Muito aprop Adaptado do seminário S330-LNEC (1995) Outra forma de se medir a eficiência de um dado equipamento é através do cálculo do seu débito D. VHL D = N D- Débito (m3) V- velocidade H-profundidade da camada L- largura da faixa compactada N- nº de passagens O débito é o volume (m 3 ) de solo que foi levado à compacidade desejada no prazo de uma hora. 18
Finalmente, cada equipamento tem um limite na compacidade máxima que permite obter para um dado solo. Peso volúmico seco Nº de passagens Este limite geralmente é estabelecido na realização dos aterros experimentais. A experiência do dono de obra também é importante. Aterros experimentais Nos aterros experimentais procura-se analisar até que ponto a modificação dos parâmetros envolvidos no problema (energia e teor em água) têm influência nas características dos aterros após a compactação. Os aterros experimentais realizam-se para estudar como tirar o melhor partido do equipamento disponível de modo a compactar o material de acordo com as especificações do caderno de encargos. Faz-se um aterro experimental para cada tipo de solo e para cada tipo de equipamento de compactação. 19
O resultado mais importante da realização do aterro experimental é a curva de compactação do material em campo. Na realização destes aterros faz-se variar: Nº de passagens do cilindro Espessura das camadas Teor em água Energia de compactação Em alternativa, faz-se variar a velocidade da passagem de um cilindro que se sabe que tem uma dada potência Durante a execução dos aterros experimentais vão-se fazendo ensaios de controle para energias crescentes de compactação. Este controle é efectuada na superfície, meio e topo da camada. Quando se atingem as características desejadas, e quando a natureza da obra assim o justifique, são recolhidas amostras para a realização de ensaios laboratoriais (triaxiais, compressibilidade, etc). A escolha do processo também depende do conhecimento adequirido com a experiência e com regras de boa prática de construção. 20
O método construtivo escolhido vai ser o que for mais eficiente, ou seja, o que garantir as exigências da compactação com o mínimo de energia possível. Exigências mais usuais solos finos argilosos: - Teor em água dentro de um dado intervalo - Peso volúmico seco acima de um valor mínimo dado pelo grau de compactação GC γ GC = γ d, in situ d, máx 100% O grau de compactação é prescrito pelo projectista conforme a natureza da obra e o tipo de solo. Para estradas existem alguns valores de referência (E-242 Execução de Terraplenagens de Estradas): Classificação do solo A-1 A-3 A-2-4 e A-2-5 A-2-6 e A-2-7 A-4, A-5, A-6 e A-7 Compactação relativa em % (em relação ao ensaio de compactação pesada) altura até 15m 95 100 95 90 90 Aterros altura superior a 15m 95 100 95 requer estudo prévio requer estudo prévio Leito do pavimento 100 100 100 95 95 21
Solos granulares: - Densidade relativa D r superior a um valor pré estabelecido D r e = e máx máx e e mín Dr- densidade relativa e máx - máximo índice de vazios correspondente ao estado mais solto possível e min - mínimo índice de vazios correspondente ao estado mais denso possível e índice de vazios corrente Existe a dificuldade acrescida que é a determinação dos valores de e máx e e mín, que devem ser obtidos em laboratório. A técnica usada paa a sua determinação tem que ser mencionada pois afecta significativamente os resultados. Exercício Curva de compactação: w ópt =18% γ d,opt =17.3kN/m 3 CE: w X[w ópt -2%,w ópt ] 22
2. CONTROLE DA EXECUÇÃO O controle da execução é efectuado através de: medição de grandezas in situ que sejam indicadoras de algumas características mais importantes comparação destas grandezas com valores de referência estabelecidos de modo para que se possa avaliar a qualidade da execução Escolha das propriedades a medir Geralmente opta-se por medir o peso volúmico aparente seco (baridade) γ d e o teor em água w. No entanto, estas grandezas são importantes essencialmente para os solos finos. Para os solos granulares mede-se a densidade relativa. Nas barragens é usual medir a permeabilidade in situ especialmente se se tem dúvidas em relação ao material colocado. É muito importante para os maciços lateriais. 23
Medições in situ Como é óbvio, a frequência e as propriedades a medir depende da heterogeneidade e do volume de solo compactado e deve ser fixada no caderno de encargos. Essas propriedades têm que ser comparadas com os valores de referência determinados no laboratório seguindo os procedimentos prescritos no caderno de encargos ou num plano de observação. A existência de um plano de observação é fundamental para as barragens de terra. Valores indicativos do média da frequência usual dos ensaios de controlo de terraplanagens nos países europeus (CPP 524-LNEC, 2005) Ensaio Granulometria Limites de Atterberg Equivalente de areia Ensaio de compactação Teor em água in situ baridade seca in situ Ensaio CBR Frequência 1-2 por 1000m 3 ou quando o solo varia 1-2 por 1000m 3 ou quando o solo varia 1-4 por 1000m 3 ou 5 por 1000m 1-2 por 1000m 3 ou 2 por 1000m 1-5 por 1000m 3 ou 5-10 por 1000m 1-5 por 1000m 3 ou 1-5 por 1000m 1 por 1000m 24
Medições mais usuais Teor em água speedy, método radioactivo, recolha de amostras para medição no laboratório Peso volúmico aparente seco gamadensímetro, garrafa de areia, parafina, extractor Teor em água Obras Geotécnicas, 4º Ano Mestrado Integrado em Engenharia Civil 25
Obras Geotécnicas, 4º Ano Mestrado Integrado em Engenharia Civil Peso volúmico seco aparente (Gamadensímetro ou Troxler) Obras Geotécnicas, 4º Ano Mestrado Integrado em Engenharia Civil 26
Obras Geotécnicas, 4º Ano Mestrado Integrado em Engenharia Civil Obras Geotécnicas, 4º Ano Mestrado Integrado em Engenharia Civil 27
Obras Geotécnicas, 4º Ano Mestrado Integrado em Engenharia Civil γ h M air = γ w ( M paraffin air M paraffin, submergedr) γ paraffin( M air M paraffin,, air ) M air e M paraffin - peso da amostra sem o recobrimento e com o recobrimento de parafina M paraffin,submerged - peso da amostra submersa recoberta com parafina γ w e γ paraffin pesos volúmicos da água (10kN/m 3 ) e da parafina (9kN/m 3 ). Obras Geotécnicas, 4º Ano Mestrado Integrado em Engenharia Civil 28
Valores de referência para validação Todos os valores de referência e as propriedades dos solos que são controladas durante a construção têm que ser medidas sempre que se muda de mancha de empréstimo ou se o solo dessa mesma mancha aparenta ser diferente. As características a medir são definidas num plano de observação, assim como os valores mínimos para serem considerados aceites. Este documento é discutido nas reuniões de obra e é aceite pelo dono de obra, pelo projectista e pelo empreiteiro. Solos finos coerentes: -Determinação das curvas de compactação através de ensaios de laboratório (Ensaios Proctor), ou determinação das curvas usando métodos aproximados (Método de Hilf ou o Método da Família de Curvas) - Em estradas: Determinação do valor do CBR Solos granulares: Valores limite dos índice de vazios para o cálculo da densidade relativa. 29
Para solos finos coerentes tem que se definir a curva de compactação a usar como referência de cada vez que se explora uma nova mancha de empréstimo ou mesmo se o solo da mesma mancha aparenta ser diferente. 2.00 Comparação dos vários ensaios de compactação de referência Baridade seca (g/cm 3 ) 1.95 1.90 1.85 133 134 139 156 152 1.80 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 Teor em água (%) Em alternativa à realização de ensaios de compactação de cada vez que se muda de mancha, pode-se adoptar: Método de Hilf Este método baseia-se na recompactação do solo sempre com a mesma energia mas com teores em água crescentes. Obtém-se assim a evolução do peso volúmico húmido em relação ao peso volúmico húmido inicial fazendo variar o teor em água. Esta relação permite obter o ponto óptimo da curva de compactação de uma forma indirecta pois é quando se consegue maior peso volúmico. 30
Método da Família das Curvas Pressupõe um conhecimento muito grande de várias curvas de compactação de amostras tiradas de várias localizações na mancha de empréstimo, e que existem muitos pontos para cada curva cujo teor em água foi determinado com o método speedy. Mede-se, com o speedy, o teor em água da amostra retirada do aterro sabendo a localização do solo na mancha. Esse valor tem que estar contido no intervalo de valores obtidos nos ensaios de outras amostras dessa mancha. 31