Compactação de solos

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CURSO DE ENGENHARIA CIVIL SNP38D53 Técnicas de Melhoramento de Solos Compactação de solos Prof.: Flavio A. Crispim (FACET/SNP-UNEMAT) SINOP - MT 2015

Técnicas de melhoramento Melhoramento x Estabilização Melhoramento Modificação da plasticidade e sensibilidade à água Estabilização Há aumento expressivo na resistência mecânica do solo 2

Técnicas de melhoramento Técnicas Física Mecânica Térmica Compactação Eletrocinética Substituição de material Química Adição de aditivos químicos (cal, cimento, betume...) 3

Técnicas de melhoramento Técnicas Física Mecânica Térmica Compactação Eletrocinética Substituição de material Química Adição de aditivos químicos (cal, cimento, betume...) 4

Compactação Na construção de aterros para estradas, barragens e outras estruturas os solos devem ser compactados para melhorar suas propriedades A compactação aumenta a resistência dos solos O solo compactado está menos sujeito a recalques (menor compressibilidade) A permeabilidade dos solos é reduzida com a compactação 5

Compactação Provavelmente a compactação de solos seja utilizada desde tempos remotos Século XX - ocorre a padronização da técnica de compactação Destacam-se os trabalhos: O. J. Porter - Departamento Rodoviário da Califórnia (EUA) Ralph R. Proctor - década de 1930, (EUA) 6

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Compactação Conceito 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 compactação consolidação (adensamento) 14

Compactação Conceito Antes da compactação Após a compactação Esforço de compactação Variação de volume Gasosa Gasosa Líquida Líquida Sólida Sólida 15

Compactação Objetivo Resistência Deformabilidade f (e) Permeabilidade Resistência Deformabilidade e Permeabilidade Definir e necessário (laboratório) Projeto Controle de compactação no campo 16

Compactação Solos coesivos A condição tida como ideal para a compactação de um solo é o ponto definido pelos parâmetros peso específico seco máximo (γd max) e teor de umidade ótimo (wot) γd γd max Ramo úmido Ramo seco wot w (%) 17

Compactação Solos coesivos γd Ramo seco A compactação tem pouco ou nenhum efeito Ramo úmido w (%) 18

Compactação Solos coesivos Energia de compactação wot Peso específ ico aparente seco ( d) d max Linha de máximos Curva de saturação Sr = 100% Limite para o processo de compactação Aproximadamente paralelo à curva de saturação E1 E2 E3 80-90% E1> E2> E3 Teor de umidade (w) 19

Compactação Solos coesivos O tipo de solo também influencia a curva de compactação Para uma mesma energia de compactação, em geral: Argilosos Siltosos Arenosos γd max wot 20

Compactação Solos coesivos 21

Compactação Solos coesivos 22

Estrutura Várias explicações teóricas para a forma da curva de compactação de solos coesivos foram propostas por diversos pesquisadores A abordagem se volta a de aspectos qualitativos, uma vez que é difícil quantificar o fenômeno, dada à complexidade dos fatores envolvidos A compactação dos solos pode envolver aspectos de capilaridade, poro-pressões (de ar e de água), pressões osmóticas, fenômenos de superfície, além de conceitos de tensão efetiva, tensão de cisalhamento e compressibilidade 23

Estrutura Proctor Ramo seco Ramo seco Teor ótimo Ramo úmido PROCTOR, R. R. (1933). The design and construction of rolled earth dams. Engineering News-Record, III, August 31, September 7, 21, and 28 Forças de atrito entre partículas criadas por tensões capilares existentes opõem resistência aos esforços de compactação Índice de vazios e d Acréscimos de água ao solo resultam em efeitos de lubrificação entre suas partículas produzindo arranjos mais compactos 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 wot 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 24

Estrutura Hilf Ramo seco Ramo seco Teor ótimo Ramo úmido 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, 1956. Para baixos teores de umidade, formam-se meniscos de pequeno raio de curvatura entre as partículas do solo Alta resistência ao esforço de compactação Posterior umedecimento do solo leva à suavização dos meniscos e, consequentemente, à perda de capacidade de resistir aos esforços de compactação 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 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 25

Estrutura Olson Ramo seco Ramo seco Teor ótimo Ramo úmido OLSON, R. E. Effective stress theory of soil compaction. Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division, ASCE, 89, No. SM2, pp. 27-45, 1963 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 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 Umidade, na qual, os vazios se tornam descontínuos e impedem a saída de ar Não há mais redução do volume da massa de solo Com o aumento do teor de umidade a deformação aumenta e o γd do solo diminui 26

Estrutura Lambe Ramo seco Ramo seco Teor ótimo Ramo úmido LAMBE, T. W. Structure of compacted clay. Transactions ASCE, 125, pp. 682705, 1960 A dupla camada difusa não se encontra plenamente desenvolvida Altas concentrações eletrolíticas e redução das forças de repulsão entre partículas Ocorre floculação das partículas com baixo grau de orientação resultando em um solo de baixa densidade Teores de umidade maiores permitem o desenvolvimento da dupla camada difusa, reduzindo o grau de floculação e produzindo estruturas mais dispersas 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 27

Estrutura 28

Estrutura Barden e Sides BARDEN, L.; SIDES, G. R. Engineering behavior and structure of compacted clay. Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division, ASCE, 96, No. SM4, p. 1171, 1970 O solo se estrutura, formando grumos de partículas, sendo que quanto mais seco o solo mais secos e rígidos são os grumos Efeitos de capilaridade proporcionam a esta estrutura condições para Ramo seco resistir aos esforços de compactação sem muita distorção Aumentando o teor de umidade os grumos são molhados e, consequentemente, apresentam menor resistência mecânica São mais facilmente distorcidos e preenchem os poros existentes, que Ramo seco tendem a desaparecer próximo da umidade ótima Os vazios preenchidos por ar perdem a continuidade, colocando-se um limite na capacidade de redução de volume de um solo pela expulsão do ar dos seus poros Teor ótimo 29

Estrutura Resumo Ramo seco O solo se estrutura, formando agregados de partículas, sendo tanto mais secos e rígidos quanto mais seco o solo Efeitos de capilaridade proporcionam a estrutura condições para resistir aos esforços de compactação sem muita distorção Ramo seco Aumentando w, os agregados, apresentam menor resistência mecânica São mais facilmente distorcidos e preenchem os poros existentes, que tendem a desaparecer próximo da umidade ótima Teor ótimo Os vazios preenchidos por ar perdem a continuidade Chega-se a um limite na capacidade de redução de volume do solo pela expulsão do ar dos seus poros Ramo A água acrescentada ao solo ocupa o espaço antes ocupado por sólidos A água, absorve parte do esforço de compactação, reduzindo a capacidade de compactação úmido 30

Estrutura Michel e Soga, 2005 31

Estrutura Michel e Soga, 2005 32

Solos não coesivos Quando compactados, em geral, os solos não-coesivos não apresentam uma curva de compactação bem definida, como ocorre com os coesivos Para uma dada energia de compactação o peso específico aparente seco é relativamente elevado, estando o solo seco ou saturado Em teores de umidade intermediários, há pequena variação no peso específico aparente seco Assim, os conceitos de teor de umidade ótimo e peso específico aparente seco máximo podem perder significado 33

Solos não coesivos Os solos não coesivos são caracterizados então através do parâmetro compacidade relativa (CR) onde: emax - índice de vazios do solo no estado mais solto possível emin - índice de vazios do solo no estado mais denso possível e - índice de vazios do solo no estado considerado d max - peso específico aparente seco do solo no estado mais denso possível d min - peso específico aparente seco no estado mais solto possível d - peso específico aparente seco no estado considerado 34

Solos não coesivos No Brasil, os índices emax e emin são determinados segundo prescrições, respectivamente, das Normas Técnicas NBR 12004/90 (ABNT, 1990) e NBR 12051/91 (ABNT, 1991) De acordo com a definição apresentada, CR varia de 0 a 1, respectivamente para solos nos estados mais solto e mais compacto possíveis 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) 35

Solos não coesivos Terminologia sugerida por Terzaghi para a classificação de areias segundo a compacidade Classificação Compacidade Relativa, CR (%) Areia muito fofa Abaixo de 15 Areia fofa Entre 15 e 35 Areia medianamente densa Entre 35 e 70 Areia densa Entre 70 e 85 Areia muito densa Acima de 85 36

Solos não coesivos As características de compressibilidade e resistência ao cisalhamento dos solos não coesivos relacionam-se com as suas compacidades relativas Em geral, os solos não coesivos são mais compressíveis quanto menores forem as suas compacidades relativas e mais resistentes ao cisalhamento quanto maiores forem estas 37

Compactação em laboratório A compactação de corpos-de-prova em laboratório, então, é feita basicamente, por quatro vias: compactação dinâmica - caracterizada pela ação de queda de um soquete sobre a camada de solo compactação estática - onde se exerce uma pressão constante sobre o solo, a uma velocidade relativamente pequena 38

Compactação em laboratório A compactação de corpos-de-prova em laboratório, então, é feita basicamente, por quatro vias: F 39

Compactação em laboratório A compactação de corpos-de-prova em laboratório, então, é feita basicamente, por quatro vias: compactação por pisoteamento - em que, golpes são aplicados ao solo através de um pistão com mola, em vez da tradicional queda de soquete, iniciando-se a compactação pela parte inferior da camada, à semelhança da compactação no campo com o equipamento pé-decarneiro; compactação por vibração - na qual, pode-se ou não colocar uma sobrecarga sobre a camada de solo a ser compactada, aplicando-se vibração ao conjunto 40

Conceito Baseia-se nos estudos de Proctor, a padronização internacional do ensaio de compactação, sendo o mesmo mais conhecido como Ensaio Proctor, que no Brasil foi normatizado pela ABNT (1986) e DNIT (DNER, 1994) 41

Compactação em laboratório O ensaio de compactação dinâmica é o mais utilizado e é aquele desenvolvido por Proctor, que foi inicialmente normatizado pela, hoje, American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) e é conhecido como AASHTO standard ou ensaio Proctor normal No Brasil, esse ensaio é normatizado pela ABNT (1986) e também pelo DNIT (DNER, 1994) 42

Compactação em laboratório Características do ensaio de compactação normatizado pela ABNT, contemplando, além da energia normal, as energias intermediária e modificada Cilindro Pequeno Grande Características inerentes a cada Energia de Compactação energia de compactação Normal Intermediária Modificada Soquete Pequeno Grande Grande Número de camadas 3 3 5 Número de golpes por camada 26 21 27 Soquete Grande Grande Grande Número de camadas 5 5 5 Número de golpes por camada 12 26 55 Altura do disco espaçador (mm) 63,5 63,5 63,5 ABNT, 1986 43

Permeabilidade 44

Compressibilidade 45

Retração 46

Resistência 47

Compactação em campo Fatores que influenciam a compactação no campo Teor de umidade do solo Número de passadas do equipamento Espessura da camada compactada Características do equipamento utilizado: Pressão aplicada Área de contato, etc 48

Compactação em campo Fatores que influenciam a compactação no campo Constatação prática sobre a compactação no campo (Porter) Número de passadas varia na razão direta do quadrado das espessuras: Camada de 10cm n passadas do equipamento Camada de 20cm 4n passadas Camada de 30cm 9n passadas 49

Compactação em campo Fatores que influenciam a compactação no campo 50

Compactação em campo Fatores que influenciam a compactação no campo 51

Compactação em campo Tipos de compactadores Rolo liso Rolo de pneus Rolo pé-de-carneiro Rolos vibratórios Compactadores manuais (tipo sapo) 52

Compactação em campo 53

Compactação em campo Rolos lisos Mais apropriados para acabamento de camadas Camadas pouco espessas O que afeta a compactação: Carga unitária por largura da roda Diâmetro e largura das rodas Camadas: espessuras < 12-15 cm 54

Compactação em campo Rolos lisos 55

Compactação em campo Rolos lisos Influência do número de passadas 56

Compactação em campo Rolos de pneu Solos: todos, à exceção de areias de granulometria uniforme Espessura de camada acabada: < 30 cm Flexibilidade no contato Simula a ação do tráfego Maior w, menor número de passadas para se obter γd max 57

Compactação em campo Rolos de pneu 58

Compactação em campo Rolos de pneu 59

Compactação em campo Rolos pé-de-carneiro Pés: 15 a 25 cm Uso: solos argilosos e residuais wcompactação < wot Espessura da camada acabada (E) E < (comprimento da pata + 5cm) Índice de vazios do solo: elevado Melhor uso: solos finos 60

Compactação em campo Rolos pé-de-carneiro 61

Compactação em campo Rolos vibratórios 62

Compactação em campo Rolos vibratórios 63

Compactação em campo Compactadores manuais 64

Compactação em campo Seleção do equipamento 65

Controle de compactação Controle de compactação: conjunto de ações visando garantir que os parâmetros de projeto sejam atendidos A determinação dos parâmetros (relativos à resistência ao cisalhamento, deformabilidade, permeabilidade, etc) em geral demanda tempo e recursos incompatíveis com a rotina de obra O controle incide então sobre características de fácil determinação relacionadas aos parâmetros de projeto 68

Controle de compactação As características de solos compactados tradicionalmente são relacionadas a dois parâmetros básicos - peso específico aparente seco (γd) - teor de umidade (w) O controle dos trabalhos de compactação, portanto, pode ser feito sobre estes dois parâmetros 69

Controle de compactação É comum admitir as variações - γd: Grau de compactação( GC) entre 95% e 100% - w: +/- 2% wot γd γd max γd max Ramo seco Ramo úmido wot w (%) 70

Exemplo Dalla Roza e Crispim (2013) 71