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Mecânica dos Solos 1 PROFESSORA: ANALICE FRANÇA LIMA AMORIM AULA 7 Compactação dos solos e CBR Universidade Federal de Pernambuco Centro de Tecnologia e Geociências (CTG) Departamento de Engenharia Civil COMPACTAÇÃO DOS SOLOS Introdução: Entende-se por compactação de um solo, qualquer redução do índice de vazios (expulsão de ar), por processos mecânicos, resultando no aumento da densidade do solo. Solo não compactado Solo compactado COMPACTAÇÃO DOS SOLOS Principais efeitos da compactação: • Aumento da resistência do solo; • Redução da compressibilidade (recalques); • Obtenção de maior uniformidade e homogeneidade; • Redução da permeabilidade. • Aumento da estabilidade Objetivo principal: • obter solo que apresente um comportamento mecânico adequado e estável COMPACTAÇÃO DOS SOLOS Principais aplicações em engenharia: • Construção de aterros • Construção de camadas de pavimento • Construção de barragens de terra • Preenchimento com solo maciço e estruturas de arrimo • Preenchimento de cavas de fundações e de tubulações enterradas COMPACTAÇÃO DOS SOLOS Influência do tipo de solo e obra na compactação: • processo de compactação a ser empregado. • umidade em que o solo deve se encontrar na ocasião. • densidade a ser atingida. COMPACTAÇÃO DOS SOLOS Compactação x Adensamento: ENSAIO DE COMPACTAÇÃO Início da técnica de ensaio: engenheiro Proctor (1933) Mostrou que ao aplicar certa energia de compactação, a massa específica resultante é função da umidade em que o solo estiver. Energia de compactação: certo número de passadas de um determinado equipamento no campo ou um certo número de golpes de um soquete sobre o solo contido num molde. Quando se compacta com: UMIDADE BAIXA: o atrito entre as partículas é muito alto e não se consegue significativa redução de vazios. UMIDADE ALTA: a água provoca um certo efeito de lubrificação entre as partículas, que deslizam entre si, acomodando-se num arranjo mais compactado. O índice de vazios final do solo é função: • do tipo e estado do solo original; • e da energia empregada na compactação. ENSAIO DE COMPACTAÇÃO Tipos de compactação: • Compactação dinâmica (por impacto) - compactação se dá pela queda do soquete. • Compactação estática - compactação se dá pela colocação de uma tensão aplicada por uma prensa servocontrolada. • Compactação por amassamento - seria a mais favorável, pois representa com mais fidelidade o rolo pé de carneiro (solos argilosos). • Compactação por vibração - utilizados para solos pedregulhosos / arenosos. ENSAIO DE COMPACTAÇÃO Ensaio de Proctor – procedimento ABNT NBR 7182: Preparação da amostra: • Secagem ao ar até a umidade higroscópica; • Destorroamento; • Separação da quantidade necessária ao ensaio (com reuso e sem reuso – ABNT NBR 6457); • Peneirar a amostra na peneira Nº 4 (4,8mm). ENSAIO DE COMPACTAÇÃO Ensaio de Proctor - procedimento: ENERGIA NORMAL Volume = 1000 cm3 • compactação em cilindro metálico de 1000 ml • soquete de 2,5 Kg • altura de queda de 30 cm • aplicação de 25 golpes por camada • compactação em 3 camadas (coloca o solo ocupando 1/3 da altura do cilindro). moldes Pilão ou soquete rasoira ENSAIO DE COMPACTAÇÃO • Processo repetido com acréscimo de água na amostra; • Compactação em pelo menos 4 teores de umidade; • De cada corpo de prova, obtém-se o: peso especifico aparente seco teor de umidade • Traça-se a curva (d x w) e obtém-se a wot e d,max. wnd 1 ENSAIO DE COMPACTAÇÃO Etapas do ensaio: certa quantidade de material seco ao ar e faz-se o destorroamento e passa na peneira n°4 (4,8mm) e em seguida determina-se sua umidade higroscópica. Adiciona-se água à amostra até se verificar uma certa consistência. Homogeneização da amostra. ENSAIO DE COMPACTAÇÃO Compacta-se a amostra no molde cilíndrico em 3 camadas iguais (cada uma cobrindo aproximadamente um terço do molde), aplicando-se em cada uma delas 25 golpes distribuídos uniformemente sobre a superfície da camada, com o soquete caindo de 30cm; Colocar mais amostra para compactação de outra camada. ENSAIO DE COMPACTAÇÃO Remove-se o colarinho aplaina-se a superfície do material à altura do molde ENSAIO DE COMPACTAÇÃO Remove a base e pesa-se o conjunto cilindro + solo úmido compactado; Retira-se a amostra do molde com auxílio do extrator, e partindo-a ao meio, coleta-se uma pequena quantidade para a determinação da umidade; ENSAIO DE COMPACTAÇÃO peso bruto úmido 4180 4380 4510 4490 4440 peso do molde 2500 2500 2500 2500 2500 peso bruto úmido-peso do molde 1680 1880 2010 1990 1940 998 998 998 998 998 1,68 1,88 2,01 1,99 1,94 compactação volume peso úmido/volume PLANILHA DE CÁLCULO Peso bruto úmido 50 50 50 50 50 Peso bruto seco 43,85 43,04 42,3 41,61 40,9 Tara da capsula 0 0 0 0 0 Peso da água 6,15 6,96 7,70 8,39 9,10 Peso do solo seco 43,85 43,04 42,3 41,61 40,9 Teor de umidade 14,03 16,17 18,20 20,16 22,25 massa específica do solo seco 1,476 1,622 1,704 1,659 1,590 1,400 1,450 1,500 1,550 1,600 1,650 1,700 1,750 1,800 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 TEOR DE UMIDADE (%) M A S S A E S P . S O L O S E C O ( g / c m 3 ) wnd 1 t t n V P wot dmax. ENSAIO DE COMPACTAÇÃO Curva de compactação: O valor do peso específico seco aumenta com o teor de umidade até atingir um valor máximo d w (% ) ENSAIO DE COMPACTAÇÃO O teor de umidade para o maior valor do peso específico seco: teor de umidade ótimo ou UMIDADE ÓTIMA d w (% ) ENSAIO DE COMPACTAÇÃO Curva de compactação: ramo seco e ramo úmido d w (% ) RAMO ÚMIDO RAMO SECO ENSAIO DE COMPACTAÇÃO Curva de compactação: ramo seco início do ramo seco: efeitos capilares exercem função aglutinadora entre as partículas d w (% ) RAMO ÚMIDO RAMO SECO ENSAIO DE COMPACTAÇÃO Curva de compactação: ramo seco • efeitos capilares diminuem com o teor de umidade, facilitando o rearranjo estrutural • grosso modo, a aplicação do conceito de “efeito lubrificante” explica o comportamento no ramo seco d w (% ) RAMO ÚMIDO RAMO SECO ENSAIO DE COMPACTAÇÃO Curva de compactação: ramo úmido • a elevada quantidade de água nos vazios absorve parte da energia de compactação d w (% ) RAMO ÚMIDO RAMO SECO ENSAIO DE COMPACTAÇÃO Considerações da curva de compactação : • A partir de certa umidade não se consegue mais expulsar o ar dos vazios pois os canalículos não são mais interconectados. O ar fica envolto por água e não consegue sair do interior do solo. Durante o processo de compactação a massa de partículas sólidas e de água permanecem constantes, o que se altera é o índice de vazios. Para umidades muito baixas o atrito grão a grão é muito alto e não se consegue uma densificação adequada. Para umidades mais elevadas, a água provoca um certo efeito de lubrificação entre as partículas que se acomodam em um arranjo mais compacto. ENSAIO DE COMPACTAÇÃO Curva de saturação: d RAMO ÚMIDO RAMO SECO S=100% S=90% S=80% w (% ) wS S sw ws d representa os pontos onde Sr = 100% A curva de compactação se situa sempre à esquerda da curva de saturação Curvas correspondentes a um determinado valor de grau de saturação. ENSAIO DE COMPACTAÇÃO Energia de compactação: O ensaio de compactação pode ser realizado com diferentes energias de compactação: • Energia Normal (ensaio original) – Proctor normal (E=5,6 Kgf . cm / cm³) • Energia Intermediária (E= 12,6 Kgf . cm / cm³) • EnergiaModificada – Proctor modificado (E=27,4Kgf . cm / cm³) Obras com incidência de carregamentos de maior porte há necessidade de ensaios com maiores energias ENSAIO DE COMPACTAÇÃO V nNhPE Onde: • E = energia específica da compactação; • 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. Energia de compactação: Calculada por meio da expressão: ENSAIO DE COMPACTAÇÃO Influência da energia de compactação: Energia Normal Intermediária Modificada Massa do soquete, P (kg) 2,5 4,5 4,5 Altura de queda, h (cm) 30,5 45,7 45,7 Nº de camadas, N 3 5 5 Nº de golpes, n 25 25 55 Volume do cilindro, V (cm3) 1000 2085 2085 w (% ) d Normal Intermediária Modificada E1<E2<E3 E1 E2 E3 wótima E : d V nNhPE ... Variação dos pontos (dmax;wot) com o aumento da energia de compactação ENSAIO DE COMPACTAÇÃO Energia de compactação: diferentes energias de compactação aplicadas Curva de compactação para diferentes tipos de solos: Solos argilosos e siltosos: apresentam densidade seca baixas (1,5 a 1,4 kg/dm3) e umidades ótimas elevadas (25 a 30%). Solos arenosos e pedregulhos: densidade secas máximas elevadas (2 a 2,1 kg/dm3) e umidades ótimas baixas (9 a 10%). Solos Lateríticos: apresentam o ramo ascendente mais íngremes do que os solos residuais. COMPACTAÇÃO DOS SOLOS Curva de compactação para diferentes tipos de solos: Tendência para solos grossos: • maiores densidades e menores umidades ótimas, em comparação com os solos finos. • para mesmas escalas de representação, as curvas são menos “abertas COMPACTAÇÃO DOS SOLOS Estrutura dos solos compactados: Ramo seco (baixa umidade): atração face- aresta das partículas não é vencida pela energia de compactação estrutura floculada (forma aleatória). Ramo úmido (próximo a saturação): a repulsão entre as partículas aumenta, e a compactação as orienta (partículas paralelas) estrutura dispersa. Para uma mesma umidade a dispersão será maior, quanto maior a energia de compactação. COMPACTAÇÃO DOS SOLOS Efeito da compactação na resistência dos solos: COMPACTAÇÃO DOS SOLOS A resistência dos solos é baixa para teores de umidade acima da umidade ótima mas, aumenta rapidamente na proximidade da umidade ótima. No ramo seco da curva de compactação, a resistência continua aumentando com a diminuição da umidade, embora a densidade também diminua. Na umidade ótima não se tem a maior resistência, entretanto tem-se a maior estabilidade (menor redução de resistência com aumento do teor de umidade pelas chuvas) w (% ) d w (% ) Resistência S=100% w1 w3 w2w4 R1 R2 R3 R4(R1-R2) (R3-R4) wot Efeito da compactação na permeabilidade dos solos: COMPACTAÇÃO DOS SOLOS Amostras compactadas com umidades abaixo da umidade ótima da curva de compactação apresentam permeabilidade bem mais elevada do que as amostras compactadas acima da umidade ótima. Etapas de compactação no campo: COMPACTAÇÃO NO CAMPO 1. Escolha da área de empréstimo: Envolve fatores como a distância de transporte, o volume do material disponível, tipos de solo. Materiais não recomendados: solos saturados com matéria orgânica e os solos turfosos, solos micáceos. 2. Escavação, transporte e espalhamento do material: Escavação: • remoção da camada superficial - estocar o solo orgânico para posterior recomposição vegetal. • cuidados quanto a drenagem, para evitar a saturação do solo em épocas de chuva. Depois de transportado, o solo é espalhado em camadas tais que sua espessura seja compatível com o equipamento compactador. COMPACTAÇÃO NO CAMPO 3. Acerto da umidade e homogeneização: Umidade: Através de irrigação é feito o acerto da umidade, em função das especificações de compactação, prefixado pelo projetista da obra. Homogeneização: tem a função de distribuir bem a umidade. 4. Compactação propriamente dita: Segue-se a compactação propriamente dita, com equipamentos e parâmetros adequados ao tipo de solo. Para o reaterro de pequenas valas utilizam-se soquetes manuais ou “sapos mecânicos”. Energia de compactação: COMPACTAÇÃO NO CAMPO ev NPE Onde P = peso do equipamento N = número de vezes de passadas v = velocidade do rolo compactador e = espessura da camada Objetivo: otimizar a energia para se obter a melhor compactação possível Equipamento de compactação: COMPACTAÇÃO NO CAMPO COMPACTAÇÃO NO CAMPO A energia de compactação no campo pode ser aplicada, de três maneiras diferentes: • por meios de esforços de pressão, • impacto, • vibração ou por uma combinação destes. Os processos de compactação de campo geralmente combinam a vibração com a pressão, já que a vibração utilizada isoladamente se mostra pouco eficiente, sendo a pressão necessária para diminuir, com maior eficácia, o volume de vazios inter-partículas do solo. Compactadores: • Compressão (rolo) • Impacto (sapo ou dumping) • Vibração (chapa ou rolo vibratório) Equipamentos de compactação em campo: COMPACTAÇÃO NO CAMPO Os equipamentos de compactação são divididos em três categorias: • os soquetes mecânicos; • os rolos estáticos e • os rolos vibratórios. Soquetes: São compactadores de impacto utilizados em locais de difícil acesso para os rolos compressores, como em valas, trincheiras, etc. Possuem peso mínimo de 15Kgf, podendo ser manuais ou mecânicos (sapos). A camada compactada deve ter 10 a 15cm para o caso dos solos finos e em torno de 15cm para o caso dos solos grossos. Rolos Estáticos: Os rolos estáticos compreendem os rolos pé-de-carneiro, os rolos lisos de roda de aço e os rolos pneumáticos. Compactadores manuais (soquetes) ou mecânicos: COMPACTAÇÃO NO CAMPO percussão tipo sapo tipo placa reversível tipo placa Rolo pé de carneiro: COMPACTAÇÃO NO CAMPO Os rolos pé-de-carneiro são constituídos por cilindros metálicos com protuberâncias (patas) solidarizadas, em forma tronco-cônica e com altura de aproximadamente de 15 a 20cm. Podem ser alto propulsivos ou arrastados por trator. É indicado na compactação para todos os tipos de solo com exceção da areia. Promove um grande entrosamento entre as camadas compactadas (quebra dos torrões de argila). Rolo pé de carneiro: COMPACTAÇÃO NO CAMPO A camada compactada possui geralmente 15cm, com número de passadas variando entre 4 e 6 para solos finos e de 6 e 8 para solos grossos. As características que afetam a performance dos rolos pé-de-carneiro são: • a pressão de contato, • a área de contato de cada pé, • o número de passadas por cobertura e estes elementos dependem do peso total do rolo, • o número de pés em contato com o solo e, • do número de pés por tambor. Rolo liso: COMPACTAÇÃO NO CAMPO Trata-se de um cilindro oco de aço, podendo ser preenchido por areia úmida ou água, a fim de que seja aumentada a pressão aplicada. São usados em bases de estradas, em capeamentos e são indicados para solos arenosos, pedregulhos e pedra britada, lançados em espessuras inferiores a 15cm. Este tipo de rolo compacta bem camadas finas de 5 a 15cm com 4 a 5 passadas. Rolo liso: COMPACTAÇÃO NO CAMPO Os rolos lisos possuem pesos de 1 a 20t e frequentemente são utilizados para o acabamento superficial das camadas compactadas. Para a compactação de solos finos utilizam-se rolos com três rodas com pesos em torno de 7t para materiais de baixa plasticidade e 10t, para materiais de alta plasticidade. Os rolos lisos possuem certas desvantagens como, pequena área de contato e em solos mole afunda demasiadamente dificultando a tração. Rolo pneumático: COMPACTAÇÃO NO CAMPO • Os rolos pneumáticos são eficientes na compactação de capasasfálticas, bases e sub-bases de estradas e indicados para solos de granulação fina e arenosa. • Os rolos pneumáticos podem ser utilizados em camadas de até 40 cm e possuem área de contato variável, função da pressão nos pneus e do peso do equipamento. Pode-se usar rolos com cargas elevadas obtendo-se bons resultados. Neste caso, muito cuidado deve ser tomado no sentido de se evitar a ruptura do solo. Rolo vibratório: COMPACTAÇÃO NO CAMPO • Nos rolos vibratórios, a frequência da vibração influi de maneira extraordinária no processo de compactação do solo. São utilizados eficientemente na compactação de solos granulares (areias), onde os rolos pneumáticos ou pé- de-carneiro não atuam com eficiência. • Este tipo de rolo quando não são usados corretamente produzem supercompactação. • A espessura máxima da camada é de 15cm. Utilização dos equipamentos segundo o solo: COMPACTAÇÃO NO CAMPO a) 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. b) Solos Granulares: há pouca ou nenhuma coesão entre os grãos, existindo entretanto atrito interno entre eles, sendo indicado a utilização rolo liso vibratório. c) Mistura de Solos: 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. Grau de compactação: COMPACTAÇÃO NO CAMPO Porcentagem do peso específico aparente seco máximo que foi obtido no campo As exigências de especificação variam conforme o tipo de obra e exigência de órgão contratante. 100max olaboratóri campoGC d d 95% ≤ GC ≤ 103% -2% ≤ w ≤ +1% onde w = wcampo – wót Para o DNER: • camada de sub-leito ou reforço (esforços menores): GC ≥ 95% do proctor normal w ± 2% em torno da ótima • camada de sub-base e base (esforços maiores): GC ≥ 100% do proctor intermediário w ± 1% em torno da ótima Cuidados que devem ser tomados na compactação em campo: COMPACTAÇÃO NO CAMPO 1) A espessura da camada lançada não deve exceder a 30cm, sendo que a espessura da camada compactada deverá ser menor que 20cm. 2) Deve-se realizar a manutenção da umidade do solo o mais próximo possível da umidade ótima. 3) Deve-se garantir a homogeneização do solo a ser lançado, tanto no que se refere à umidade quanto ao material. Deve-se obter sempre valores de grau de compactação superiores a 95%. Caso estas especificações não sejam atendidas, o solo terá de ser revolvido, e uma nova compactação deverá ser efetuada. Ensaio de CBR (CBR - California Bearing Ratio ou ISC - Índice de Suporte Califórnia - ABNT NBR 9895): CBR ou ISC Ensaio realizado em laboratório para construção de pavimentos rodoviários. 1) Determinação da relação entre: • a pressão necessária para produzir uma penetração de um pistão num corpo de prova de solo, • a pressão necessária para produzir a mesma penetração numa pedra britada. 2) O valor desta relação permite determinar, por meio de equações empíricas, a capacidade de carga de solos e agregados em laboratório. Serve para avaliar a qualidade do solo para subleito, base e sub-base de pavimentos. Equipamento: molde cilíndrico com diâmetro de 15 cm e altura de 17,5 cm, provido de um colarinho com 5 cm de altura, tendo um fundo falso (disco espaçador). CBR ou ISC Procedimento da execução do ensaio CBR: • Prepara-se dois corpos de prova com umidade ótima, sendo um com 12 golpes por camada (5 camadas) para subleito e outro com 26 golpes por camada para base e sub-base. O peso do soquete é 4,5 kg. • Determina-se umidades e pesos específicos (wot edmáx). CBR ou ISC • Satura-se corpos de prova durante 4 dias (considerar condição mais desfavorável - solo saturado e alguma expansão). • Mede-se a resistência a penetração mediante a pressão na base superior da amostra, de um pistão com 5 cm de diâmetro e velocidade de penetração de 1,25 mm/min, em uma prensa. • Faz-se leitura da penetração do solo. ensaio proctor normal Procedimento da execução do ensaio CBR: • Traça-se a curva pressão-penetração. • Adota-se o maior dos valores obtidos na penetração de 0,1 e 0,2”. 100 padrãopressão corrigidapressãooucalculadapessãoCBR pedra britada 70 Kgf / cm2 - penetração 0,1” 105 Kgf / cm2 - penetração 0,2” Para P = 14 Kgf /cm2 diríamos que o material teria CBR= 20% da resistência da pedra britada. 100 70 xpressãoCBR 100 105 xpressãoCBR 0,1” 0,2” CBR ou ISC Curva pressão-penetração: 100 70 xpressãoCBR 100 105 xpressãoCBR 0,1” 0,2” CBR ou ISC 1) Determinar a curva de compactação para os resultados obtidos através do Proctor Normal. w (%) - 12,01 13,81 15,82 17,60 19,50 d (g/cm3) - 1,672 1,724 1,807 1,767 1,676 Calcular a wot e dmax. Identificar o ramo seco e ramo úmido e explicar resumidamente o que acontece nesses trechos. 1.600 1.650 1.700 1.750 1.800 1.850 12,01 13,81 15,82 17,60 19,5 Série1 EXERCÍCIOS 2) Os valores foram obtidos em ensaios de compactação empregando Proctor Normal e o Modificado. Quais variações ocorrem nos valores de d e wot ao alterar as energias de compactação? Normal w (%) - 7,41 8,71 10,25 11,70 13,21 d (g/cm3) - 1,780 1,897 1,998 1,990 1,919 Modificado w (%) - 6,42 7,96 9,46 10,95 12,57 d (g/cm3) - 1,957 2,097 2,123 2,041 1,957 EXERCÍCIOS 3) Pede−se determinar o índice de suporte Califórnia, I.S.C. (ou C.B.R.) para um ensaio em que a força exercida pelo pistão à amostra foi de 825 kgf e 1000 kgf para os valores de penetração de 0,1"(2,5mm) e 0,2"(5,0mm), respetivamente. Dados: Diâmetro do pistão: 5cm. Pressão padrão para 0,1": 70 kgf/cm2. Pressão padrão para 0,2": 105 kgf/cm2. 100 padrãopressão corrigidapressãooucalculadapessãoCBR 100 70 xpressãoCBR 100 105 xpressãoCBR 0,1” 0,2” ''1,0 4 5 825 2 para A F EXERCÍCIOS 4) Um ensaio de compactação forneceu os seguintes pontos: h (%) - 9,80 12,60 15,60 18,10 22,40 d(g/cm3) - 1,59 1,88 1,85 1,75 1,56 Calcular a wot e dmax. Para uma amostra deste material, quando compactada no campo, obtivemos, através do frasco de areia, que para um volume de 997,0 cm3 a amostra retirada pesou 2.045,0g. Para determinação da umidade temos : solo + tara + água : 42,735g solo + tara : 38,670g tara : 11,135g Qual o grau de compactação? 100max olaboratóri campoGC d d EXERCÍCIOS 100max olaboratóri campoGC d d furodoadoerV furosoloP V P t t n mindet w n d 1 EXERCÍCIOS
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