Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Faculdade Pitágoras Unidade Antônio Carlos Curso de Engenharia Civil COMPACTAÇÃO Professor M.Sc: Ricardo Henrique de Andrade Dutra Bibliografia: DE SOUZA PINTO, C. Curso Básico de Mecânica dos Solos, 3ed. Oficina de textos, São Paulo.; CAPUTO, H.P. Mecânica dos Solos e suas Aplicações, 6ed. Revista Ampliada, Rio de Janeiro. 1. COMPACTAÇÃO • Vimos anteriormente que o solo apresenta vazios entre as partículas sólidas. • Em construção civil, se desejarmos que um solo resista às cargas, devemos minimizar estes vazios, isto é, compactá-los. • Quando se compacta o solo, tem-se como objetivo deixá-lo com o menor índice de vazios possível. • Assim, quando receber carga ele irá apresentar uma menor deformação. • Em outras palavras, 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. 1. COMPACTAÇÃO • A compactação de um solo é sua densificação por meio de equipamentos. • Melhorando seu comportamento mecânico e hidráulico. ➢Processo manual ou mecânico; ➢ Em laboratório ou em campo. 1. COMPACTAÇÃO • 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 material mais homogêneo; ➢ Reduzir a permeabilidade; ➢ Reduzir a compressibilidade. 1. COMPACTAÇÃO • A compactação provoca um aumento do grau de saturação visto que o volume de vazios sofre uma diminuição por expulsão do ar. Contudo, a expulsão de todo ar não é possível, verificando-se que fica sempre algum ar aprisionado entre os grãos de solo. • Com este processo, a área de contato das partículas sólidas aumenta, aumentando assim, a resistência do solo e diminuindo a sua deformabilidade. • Além disso, o solo ficando num estado mais denso dificultará a passagem da água, ou seja, o solo torna-se menos permeável. • A experiência mostra que o resultado da compactação depende de dois fatores determinantes: a energia aplicada e o teor em água de compactação. • Em laboratório, deve ser realizado o ensaio de compactação para determinar a curva de compactação e parâmetros como a umidade ótima e o peso específico aparente seco máximo 1. COMPACTAÇÃO • Imagine-se então num procedimento de compactação com uma determinada energia em que o solo é compactado misturando-lhe diferentes quantidades de água (obtendo-se, portanto, diferentes teores em água) e medindo-se o resultado da compactação através da determinação do peso específico aparente seco. • O resultado pode assim ser descrito por pares de valores que quando representados num gráfico, dão origem à curva de compactação, como se ilustra na figura a seguir: Figura 1: Curva de compactação 1. COMPACTAÇÃO • Pode assim constatar a existência de uma relação que apresenta um máximo (peso específico aparente seco máximo), o que ocorre para um teor em água que se designa por teor em água ótimo . • O ponto máximo (ótimo) divide a curva de compactação em dois ramos: à esquerda do ótimo (ramo seco) e à direita (ramo úmido). • De uma forma bastante simplificada, para explicar este comportamento, dir-se-á que uma massa do solo que possua pouca água apresenta-se aglomerada em torrões de solo. A ação de compactação irá desfazer esses torrões, permitindo a expulsão do ar. No entanto, os torrões apresentar-se-ão duros, pelo que, se o solo possuísse um pouco mais de água, a ação de compactação seria facilitada e, por conseguinte, mais eficaz. • Por esta razão, do lado seco, o aumento do teor em água conduz ao aumento do peso específico aparente seco. 1. COMPACTAÇÃO • Porém, se a quantidade de água ultrapassar determinado valor, verifica-se que deixa de haver contato de determinadas zonas do ar do solo com a atmosfera, ficando o ar aprisionado entre o solo e a água intersticial, não podendo ser expulso. A partir deste ponto, o aumento do teor em água não irá permitir que a compactação se realize de forma tão eficaz. • Por este motivo, do lado úmido, o aumento do teor em água conduz à diminuição do peso específico aparente seco. • A capacidade de suporte do solo compactado é determinada através do ensaio de CBR (Califórnia Bearing Ratio) ou ISC (Índice de Suporte Califórnia). • 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. 1. COMPACTAÇÃO • 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. • CURVA DE COMPACTAÇÃO • Proctor (1993) desenvolveu o ensaio dinâmico para determinação da curva de compactação: Figura 2: Curva de compactação 1. 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 (wot) 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<wot), as forças capilares são elevadas o que gera a formação de grumos e consequentemente baixos valores de . 1. COMPACTAÇÃO • Já para elevados teores de umidade (w>wot) 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 a seguir: 1. COMPACTAÇÃO • 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: Tabela 1: Características inerentes de cada energia (NBR 7182/1986) 1. COMPACTAÇÃO 1. COMPACTAÇÃO Equipamentos para o ensaio de compactação:moldes, pilão e rasoira 1. COMPACTAÇÃO • CURVA DE SATURAÇÃO • A curva de saturação corresponde ao lugar geométrico dos valores de w e 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: 1. COMPACTAÇÃO • Para um valor fixo de S determina-se pares de valores de w e 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. Figura 3: Curvas de saturação 1. COMPACTAÇÃO • ESTRUTURA DOS SOLOS COMPACTADOS • Os solos apresentam estruturasdiferentes 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. 1. COMPACTAÇÃO Figura 4: Estrutura dos solos compactados 1. COMPACTAÇÃO • RESISTÊNCIA DOS SOLOS COMPACTADOS • A resistência dos solos compactados é analisada através da determinação do CBR ou ISC. 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, 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. O CBR é calculado a partir da equação: 1. COMPACTAÇÃO • Realizando-se o ensaio de CBR com os 5 corpos de prova é possível determinar um gráfico de CBR x w (Figura 5). Tabela 2: Valor da pressão padrão da brita Figura 5: Curva de CBR 1. COMPACTAÇÃO • INFLUÊNCIA DA ENERGIA • A energia de compactação é determinada pela seguinte equação: • 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 e menor é wot. • A linha que passa pelos picos das curvas e conhecida como Linha de Ótimos. 1. COMPACTAÇÃO Figura 6: Variação da curva de compactação com a energia 1. COMPACTAÇÃO Influência da Energia • Se se aplicar a um mesmo solo com determinado teor em água energias de compactação diferentes, o estado final (medido através do peso específico natural seco) seria diferente. Isto quer dizer, que a cada energia de compactação corresponde uma curva de compactação. 1. COMPACTAÇÃO Influência do Tipo de Solo • A experiência mostra que nos solos mais grosseiros o teor em água ótimo é, em regra, mais reduzido, atingindo valores mais elevados do peso específico seco. • Nos solos com maior predomínio de argila, o teor em água ótimo é mais elevado, conduzindo a valores mais reduzidos do peso específico seco. • Os solos granulares sem finos (ex.: areias limpas), sendo bastante permeáveis, são pouco sensíveis ao teor em água, pelo que a curva de compactação destes solos não possui um pico tão pronunciado como nos solos com granulometria mais extensa. • Verifica-se que o peso específico seco aumenta para teores em água muito baixos devido à ação de tensões capilares entre partículas. 1. COMPACTAÇÃO Influência do Tipo de Solo Figura 7: Curvas de compactação de solos com finos Figura 8: Curva de compactação de uma areia com granulometria uniforme 1. COMPACTAÇÃO Influência do Tipo de Solo 1. COMPACTAÇÃO Influência do Teor de Umidade 1. COMPACTAÇÃO • 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 pé-de- carneiro, sendo que o processo gera um adensamento mais rápido do solo; 1. COMPACTAÇÃO ➢Por vibração, onde a força vertical é aplicada com frequências maiores que 500 golpes/min. Existem vários tipos de equipamentos com a frequência 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; ➢Por impacto. Semelhante ao processo por vibração, sendo que a frequência 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: 1. COMPACTAÇÃO • 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. 1. COMPACTAÇÃO • Existem rolos rebocados com um eixo (mais pesados), rebocados com dois eixos (leves; 8 a 13 t) e autopropulsores (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. 1. COMPACTAÇÃO • 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. 1. COMPACTAÇÃO • Podem ser compostos por um ou dois cilindros, rebocados ou não e são eficientes para materiais não coesivos. Os fatores que interferem são a frequência 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. 1. COMPACTAÇÃO • A 1. COMPACTAÇÃO • 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, wot ± 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. 1. COMPACTAÇÃO • CONTROLE DA COMPACTAÇÃO • O controle da compactação deve ser feito a dois níveis: ➢ Durante a fase de execução – o controle deve incidir sobre a granulometria do material, o equipamento utilizado, o número de passagens, a espessura da camada, a quantidade de água adicionada, etc.; ➢ Após a compactação – o controle é realizado comparando os resultados obtidos em campo com os determinados em ensaios de referência realizados em laboratório. • Defini-se grau de compactação GC como a relação entre o peso específico seco obtido no campo e o peso específico seco obtido em laboratório. 1. COMPACTAÇÃO 1. COMPACTAÇÃO 1. COMPACTAÇÃO 1. COMPACTAÇÃO 1. COMPACTAÇÃO1. COMPACTAÇÃO 1. COMPACTAÇÃO • ESCOLHA DOS EQUIPAMENTOS DE COMPACTAÇÃO a) Solos Coesivos Nos solos coesivos há uma parcela preponderante de partículas finas e muito finas (silte e argila), nas quais as forças de coesão desempenham papel muito importante, sendo indicado a utilização de rolos pé-de-carneiro e os rolos conjugados. b) Solos Granulares Nos solos granulares há pouca ou nenhuma coesão entre os grãos existindo, entretanto atrito interno entre os grãos existindo, entretanto atrito interno entre eles, sendo indicado a utilização rolo liso vibratório. 1. COMPACTAÇÃO c) Mistura de Solos Nos solos misturados encontra-se materiais coesivos e granulares em porções diversas, não apresenta característica típica nem de solo coesivo nem de solo granular, sendo indicado a utilização de pé-de-carneiro vibratório. d) Mistura de argila, silte e areia Rolo pneumático com rodas oscilantes. e) Qualquer tipo de solo Rolo pneumático pesado, com pneus de grande diâmetro e largura. 1. COMPACTAÇÃO • 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%. 1. COMPACTAÇÃO • 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 Deve-se colocar o solo na umidade especificada por processos de irrigação ou secagem e proceder a melhor homogeneização possível. 1. COMPACTAÇÃO 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. 1. COMPACTAÇÃO 1. COMPACTAÇÃO 1. COMPACTAÇÃO PERMEABILIDADE DOS SOLOS Professor: Ricardo Henrique de Andrade Dutra Bibliografia: DE SOUZA PINTO, C. Curso Básico de Mecânica dos Solos, 3ed. Oficina de textos, São Paulo.; CAPUTO, H.P. Mecânica dos Solos e suas Aplicações, 6ed. Revista Ampliada, Rio de Janeiro. DEFINIÇÃO Como já visto, o solo é constituído de uma fase sólida e de uma fase fluida (água e/ou ar) • A fase fluida ocupa os espaços vazios • A maior ou menor facilidade que as partículas de água encontram para fluir por entre os vazios do solo, constitui a propriedade chamada PERMEABILIDADE DOS SOLOS. • O estudo de fluxo de água em solos é de vital importância para o engenheiro, pois a água, ao se mover no interior de um maciço de solo, exerce em suas partículas sólidas forças que influenciam o estado de tensões do maciço. Conceitos de fluxos de água nos solos são aplicados em problemas tais como: Estimativa de vazão de água através de uma zona de fluxo (ex: Uma barragem); Dimensionamento de sistemas de drenagem; Instalação de poços de bombeamento e rebaixamento de lençol freático; Transporte de contaminantes pelo subsolo; Problemas de colapso ou expansão em solos não saturados; Estabilidade de taludes Previsão de recalques ao longo do tempo (adensamento de solos moles – baixa permeabilidade) Análise da possibilidade de ocorrência de problemas de instabilidade hidráulica no meio poroso (Ex: Levantamento de fundo de escavações; areia movediça) Fluxo em Solos Escalas micro e macroscópica Fluxo em Solos Unidimensional: Fluxo paralelo ou subparalelo à superfície de uma encosta. Fluxo em Solos Bidimensional: Fluxo pela fundação de uma barragem de concreto. Fluxo em Solos Tridimensional: Fluxo em um poço de extração de fluido. Grau de permeabilidade dos solos • O grau de permeabilidade de um solo é expresso numericamente pelo “coeficiente de permeabilidade”. • pode ser determinado através de: ▪ ensaios de laboratório (amostras indeformadas); ▪ ensaios “in situ” (amostras indeformadas ou deformadas); ▪ ou indiretamente, utilizando-se correlações empíricas. • Reynolds (1883) comprovou que o regime de escoamento é: • Laminar (sob certas condições) • Turbulento Experimento de Reynolds • REYNOLDS Experimento de Reynolds Fluxos Laminar e Turbulento Fluxo Laminar: a trajetória seguida por uma partícula de água qualquer no domínio de fluxo é a mais linear possível, não interceptando a trajetória seguida por nenhuma das outras partículas de água fluindo na direção do escoamento. (v < vc) Fluxo Turbulento: a trajetória seguida por uma partícula de água qualquer é caótica, cruzando a trajetória seguida por uma outra partícula qualquer no domínio de fluxo. (v > vc) V = velocidade; Vc = velocidade crítica Número de Reynolds vc = velocidade crítica, abaixo da qual o fluxo é laminar (LT-1) D = diâmetro do conduto (L) Ȣw = peso específico da água (ML-2T-2) μw = viscosidade absoluta ou dinâmica da água (ML-1T-1) g = aceleração da gravidade (LT-2) vw = viscosidade cinemática da água (L2T-1) ρw = massa específica da água (ML-3) R = número de Reynolds Número de Reynolds Assumindo que o diâmetro dos poros (Ф) é pelo menos 10 vezes menor que o diâmetro dos grãos do solo (d) e que R=2.000 (válido para a maioria das tubulações de água comerciais) constitui um limite inferior para a ocorrência de fluxo turbulento, obtém-se as velocidades críticas, vc, abaixo. Comparando estas com as velocidades de percolação, vp, assumidas como representativas para os materiais considerados, verifica-se ser de se esperar que, em solos, predomine a ocorrência de fluxo laminar. Coeficiente de permeabilidade (k) Fluxo: Equações Principais Equação de Bernoulli Conservação de Energia Lei de Darcy Equação constitutiva fenomenológica (define permeabilidade) Equação de Laplace Conservação de massa (fluxo 2D) Equação de Bernoulli O conceito de energia total de um fluido em um dado ponto foi formulado por Bernoulli (Mecânica dos Fluidos), sendo representado por: Conceito de Cargas Em solos, é usual expressar a equação de Bernoulli em termos de carga, ou seja, em termos de energia por unidade de peso, ou seja: Conceito de Cargas Cargas em Solos Saturados Perda de Carga entre dois pontos Conceito Fundamental Princípio de Bernoulli Lei de Darcy Lei de Darcy Velocidade de fluxo e de Percolação Velocidade de Percolação (vp) Coeficiente de Permeabilidade (k) Exemplo de Cálculo de cargas Um ensaio apresentou os seguintes dados: Água coletada num período de 3 minutos = 353,70 cm³; L = 45,72 cm; A = 23,09 cm²; ΔH = h = 71,12 cm. Calcule o coeficiente de permeabilidade em cm/s. Exemplo de Cálculo de cargas Dado o permeâmetro abaixo, determinar a distribuição de cargas total, de elevação e de pressão e a distribuição de velocidade entre as cotas 0 e 26cm. OBS: Não há perda de carga na tubulação. A carga de pressão no N.A = 0. Exemplo de Cálculo de cargas Exemplo de Cálculo de cargas Exemplo de Cálculo de cargas Dado o permeâmetro abaixo, determinar a distribuição de cargas total, de elevação e de pressão e a distribuição de velocidade ao longo do mesmo. Exemplo de Cálculo de cargas Fluxos em meios estratificados Permeabilidade Equivalente (Keq) Fluxos em meios estratificados Permeabilidade Equivalente (Keq) Exemplo de Cálculo de cargas Dado o permeâmetro abaixo, determinara distribuição de cargas total, de elevação e de pressão e a distribuição de velocidade entre as cotas 0 e 67,8cm. Exemplo de Cálculo de cargas Exemplo de Cálculo de cargas Dado o permeâmetro abaixo, determinar a distribuição de cargas total, de elevação e de pressão e a distribuição de velocidade entre as cotas 0 e 60cm. Exemplo de Cálculo de cargas
Compartilhar