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SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI- ÁRIDO Departamento Ciências Ambientais e Tecnológica Disciplina – Mecânica dos Solos. Professor: Francisco Alves da Silva JúniorProfessor: Francisco Alves da Silva Júnior Compactação dos solos Mossoró, 21 de Maio de 2011 Compactação dos solos � Solo; �Definição de compactação � Ensaios de compactação; � Compactação no campo; Compactação � Controle da compactação; � Ensaio de CBR. 1 Introdução Num solo, só parte do volume total é ocupada pelas partículas sólidas, que se acomodam formando uma estrutura. SOLO Composição Estrutura Partículas sólidas + Vazios Compactação Vazios V a zio s Água + Ar DENSIFICVAÇÃO DO SOLO Aplicação de energia mecânica Expulsão do ar ↑Resistência e estabilidade Compactação Figuras 3 e 4 – Estruturas de solos fofos e compactados. Fonte: UNESP 2 Compactação OBRAS: �Aterros; �Pavimentos; �Barragens de terra; �Muros de arrimo; �Preenchimento de valas para Compactação Tipo de compactação obras de passagens de tubulações. �Obra; �Solo �Reduzir recalques; � Aumentar a rigidez e a resistência; �Reduzir a permeabilidade. Objetivo 2.1 Teoria da compactação �Ralph R. Proctor (1933) - Engenheiro americano do Bureau of Waterworks and Supply de Los Angeles - Califórnia, especialista em construção de barragens. �Aplicando-se uma certa energia de compactação �Campo – N passadas de um certo equipamento; �Laboratório – N golpes soquete Compactação Amassa específica resultante é função da umidade do solo � Baixa umidade -------- atrito entre partículas; � Umidade crescente -------- lubrificação entre as partículas (acomodação); � Umidade elevada -------------- oclusão do ar. γs = M/V 2.2 Curva de Compactação �Curva de compactação; � Umidade ótima; � Densidade seca máxima. Curva de saturação: Compactação Comportamento frágil Comportamento plástico Curva de saturação: Onde: S – grau de saturação; γw – massa específica da água; γs – massa específica dos sólidos. 2.3 Ensaio de compactação O ensaio de compactação proposto por Proctor foi normalizado pela (AASHO – American Association of State Highway Officials). No Brasil o ensaio é descrito na Norma NBR 7182 da ABNT) constituindo o MB-33 com o nome de Ensaio Normal de Compactação. Compactação Basicamente consiste em compactar porções do solo em estudo em diferentes teores de umidade de forma a se obter, após os cálculos, a curva de compactação do solo e sua umidade ótima e massa específica aparente seca máxima. Equipamentos: � Balança; � Peneira no.4 (4,8mm); Balança; �Molde cilíndrico, com base e colarinho; Compactação 2.3 Ensaio de compactação Molde cilíndrico, com base e colarinho; � Soquete cilíndrico; �Extrator de amostras; �Cápsulas para determinação de umidade; �Estufa. Preparação da Amostra: �Toma-se uma certa quantidade de material seco ao ar e faz-se o destorroamento até que não haja torrões maiores que 4,8mm; � Peneira-se a amostra na peneira Nº4 (4,8mm) e em seguida determina-se sua Compactação 2.3 Ensaio de compactação � Peneira-se a amostra na peneira Nº4 (4,8mm) e em seguida determina-se sua umidade higroscópica. O ensaio mais usado é aquele feito na energia normal: • Volume do cilindro - V = 1000cm3 • 3 camadas de solo; • Peso do soquete de 2,5kg; • Altura de queda de 30cm. Compactação 2.3 Ensaio de compactação Procedimento (ensaio normal de compactação): �Adiciona-se água à amostra (5% abaixo da ótima); � Procede a homogeneização; Compactação 2.3 Ensaio de compactação � Procede a homogeneização; � Coloca-se amostra no molde cilíndrico em 3 camadas iguais (cada uma cobrindo aproximadamente 1/3 do molde); � Compacta-se a amostra aplicando-se em cada camada 25 golpes distribuídos uniformemente sobre a superfície da camada, com o soquete caindo de 0,305m; Procedimento (ensaio normal de compactação): � Remove-se o colarinho e a base, aplaina-se a superfície do material à altura do conjunto cilindro + solo úmido compactado; � Pesa-se o conjunto (cilindro + solo úmido – Mcsh); Compactação 2.3 Ensaio de compactação � Pesa-se o conjunto (cilindro + solo úmido – Mcsh); � 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 (h)→ h=Mw/Ms; �Desmancha-se o material compactado até que possa ser passado pela peneira no.4 (4,8mm), misturando-o em seguida ao restante da amostra inicial (para o caso de reuso do material); Procedimento (ensaio normal de compactação): � Adiciona-se água à amostra homogeneizando-a (da ordem de 2% da massa original de solo, em peso); � Repete-se o processo para teores crescentes de umidade (cinco vezes); Compactação 2.3 Ensaio de compactação umidade (cinco vezes); Para um bom traçado da curva, devem ser feitos cinco pontos, sendo dois no ramo seco, um próximo à umidade ótima e dois no ramo úmido. � Traçar a curva de compactação; � Determinar a umidade ótima (hot) e densidade seca máxima (γγγγd). Cálculos: � Umidade (h): �Com a massa do conjunto cilindro + solo úmido compactado – Mcsh, menos a massa do cilindro (M ), tem-se a massa do solo úmido Compactação 2.3 Ensaio de compactação menos a massa do cilindro (Mc), tem-se a massa do solo úmido compactado (Msh): � O volume do cilindro é conhecido (Vsh); � Amassa específica aparente úmida é (γγγγh): Cálculos: �Amassa específica aparente seca é (γγγγd): Compactação 2.3 Ensaio de compactação � Determinar a umidade ótima (hot) e densidade seca máxima (γγγγd). 2.4 Tipos de ensaios de PROCTOR Os cilindros têm volume padronizado e o solo é compactado em um número padronizado de camadas pela queda de um soquete de massa padronizada de uma altura também padronizada. Compactação 2.5 Energia de compactação Os valores de densidade seca máxima e umidade ótima dependem da energia aplicada. Umidade abaixo da hot ↑ γd e ↓ hot ↑ EC Umidade acima da hot ↑ EC mesmo γd Compactação Onde: EC – Energia de compactação; M – Massa do soquete; H – altura de queda do soquete; Ng – Número de golpes por camada; Nc – Número de camadas; V- Volume do cilindro (solo compactado). ↑ EC mesmo γd 2.5 Energia de compactação Compactação �Energia Normal E = 6kgf/cm2; � Modificado – E = 25kgf/cm2; �Energia Intermediária – E = 12,6kgf/cm2 *-normal; **-modificado; ***-próxima à intermediária 2.6 Influência do tipo de solo Para a mesma energia de compactação, solos de textura mais grosseira proporcionam maiores valores de massa específica. Compactação 2.7 Resistência dos solos compactados Os solos bem compactados não são os que apresentam grande resistência, mas são aqueles cuja resistência é estável, não variam muito com a posterior saturação, independente das estações climáticas. A resistência do solo decresce com o aumento da umidade, quando o solo não foi previamente saturado. Compactação � Para solos argilosos, a massa específica seca máxima tende a decrescer quando a plasticidade diminui. � Para uma energia de compactação grande a curva de resistência será mais íngreme e os valores da resistência maiores. 2.8 Efeito da presença de matéria orgânica no solo compactado - O aumento da fração de matéria orgânica tende a diminuir a massa específica seca da compactação e aumentar a compressibilidade do solo que é indesejável para fundações e aterros. - Se a fração é maior do que 10%, γ irá diminuir consideravelmente. Compactação - Se a fração é maior do que 10%, γd irá diminuir consideravelmente. - O teor de umidade ótima aumentará com o aumentoda fração de matéria orgânica. 2.9 Estrutura dos solos compactados - Solos Coesivos: A estrutura dos solos coesivos compactados depende do método ou tipo de compactação, da energia aplicada, do tipo de solo e do teor de umidade. Se ele for compactado com umidade abaixo da ótima, as forças atrativas face- aresta das partículas do solo não são vencidas pela energia aplicada, formando uma estrutura floculada. Compactação Quando ele é compactado com umidade acima da ótima, as partículas ficam grandemente orientadas e dispersas pela quebra das forças atrativas, pois a repulsão entre as partículas aumentam, e a compactação ás orienta, posicionando-as paralelamente (estrutura dispersa). Para a mesma umidade, quanto maior a energia, maior o grau de dispersão. O processo de compactação no campo segue a seqüência abaixo: 2.10 Compactação no campo Compactação • A compactação no campo inicia-se com o espalhamento do solo em camadas mais ou menos padronizadas com espessuras em torno de 15 a 30 cm. Espessuras superiores a estas, os equipamentos não produzem compactações eficientes, pois a energia não é suficiente para profundidades maiores. O material a ser espalhadoa energia não é suficiente para profundidades maiores. O material a ser espalhado foi previamente escolhido em uma jazida de empréstimo, com suas características de peso específico seco máximo e umidade ótima determinados em laboratório; • Acerto de umidade por irrigação (umidade inferior a ótima) ou aeração (umidade superior a ótima), seguida de revolvimento e homogeneização do solo; Compactação 2.10 Compactação no campo O processo de compactação no campo segue a seqüência abaixo: 2.10 Compactação no campo Compactação • Compactação propriamente dita. Os equipamentos devem ser escolhidos de acordo com o tipo de solo e obra a ser construída. Pode-se utilizar rolo ou pilões.construída. Pode-se utilizar rolo ou pilões. Os rolos são utilizados em obras de grande porte como pavimentos e barragens. Os rolos mais comuns são os vibratórios, os pneumáticos e os pés de carneiro. O número de passadas do compactador e a umidade são determinados em um trecho experimental. Atingir: umidade ótima e peso específico seco máximo determinados no ensaio. 2.11 Controle de compactação. Umidade ótima – Speedy teste Peso específico seco máximo – frasco de areia. Compactação Grau de compactação - Limites comuns: GC maior ou igual que 95%; Umidade = Umidade ótima ±±±±2%. 2.12 Equipamentos de compactação – solos coesivos. Compactação Rolo compactador pé-de-carneiro 2.12 Equipamentos de compactação – solos granulares. Compactação Rolo compactador vibratórios vibratórios 2.12 Equipamentos de compactação – solos Compactação Rolo compactador pneumático 2.13 Efeitos de compactação ineficiente Compactação 3 Ensaio de CBR A capacidade de suporte de um solo compactado pode ser medida através do método do chamado “Índice de Suporte Califórnia - ISC” (California Bearing Ratio - CBR), idealizado pelo engenheiro O. J. Porter, em 1939, no estado da California - USA. Trata-se de um método de ensaio empírico, adotado por grande parcela de Compactação órgãos rodoviários, no Brasil e no mundo. O objetivo do ensaio é determinar: � O índice de suporte Califórnia (CBR) e; � A expansão do solo sob imersão (E) 3 Ensaio de CBR O ensaio CBR – Razão em porcentagem, entre: �A carga necessária para penetração de um pistão padrão numa amostra de solo; �A carga necessária para penetração do mesmo pistão numa mistura padrão (brita graduada de excelente qualidade) Compactação padrão (brita graduada de excelente qualidade) 3 Ensaio de CBR O ensaio CBR EQUIPAMENTOS: • Soquete; • Colarinho do cilindro Compactação • Molde de compactação • Disco espaçador • Medidor de altura de camada • Conjunto de sobrecargas padrão Energias de compactação para o ensaio de CBR: Energia Número de camadas Golpes p/ camadas Normal 5 12 Intermediário 5 26 Modificado 5 55 3 Ensaio de CBR O ensaio CBR Procedimento: Ensaio de um corpo de prova, na umidade ótima: – Moldagem do corpo de prova: � No dia anterior à moldagem, retirar duas amostras do solo acondicionado em saco Compactação � No dia anterior à moldagem, retirar duas amostras do solo acondicionado em saco plástico. As amostras devem ser colhidas em cápsulas de alumínio, pesadas e levadas à estufa; � No dia do ensaio, inicialmente deve-se determinar o teor de umidade em que o solo se encontra, pesando-se as amostras secas; � Calcular a quantidade de água a se acrescentar, para que o solo atinja a umidade ótima – determinada no ensaio de compactação; 3 Ensaio de CBR O ensaio CBR Procedimento: Ensaio de um corpo de prova, na umidade ótima: – Moldagem do corpo de prova: �Realização a compactação do corpo de prova na energia requerida; Compactação �Realização a compactação do corpo de prova na energia requerida; � Retirar amostra para determinação da umidade de realização do ensaio; �Terminada a compactação, retirar o colar, rasar a amostra pela borda superior do cilindro de compactação, retirar a base circular e o disco espaçador e pesar o conjunto cilindro + amostra compactada. 3 Ensaio de CBR O ensaio CBR - Procedimento: Determinação da expansão: • O cilindro contendo a amostra compactada deve ser fixado à base circular, deixando-se o espaço deixado pelo disco espaçador na parte superior; • Colocar sobrecarga; Compactação • Adaptar tripé com extensômetro; • Imergir o conjunto em água, por quatro dias, o nível da água deve ficar 1 cm acima do bordo superior do cilindro; • O extensômetro e a haste do disco perfurado devem ser ajustados de tal maneira que a leitura inicial seja de 1,00 mm, para que possa ser acusada retração, caso ocorra. As leituras devem ser realizadas a cada 24 horas; • Após 4 dias, realizar a leitura final da expansão. 3 Ensaio de CBR O ensaio CBR - Procedimento: Determinação da expansão: Compactação E – expansão (%); h – altura do corpo de prova no instante da leitura; hi – altura inicial. 3 Ensaio de CBR O ensaio CBR Ensaio de Penetração – Recolocar os anéis de sobrecarga no cilindro contendo o corpo de prova; – Levar o conjunto para o prato da prensa e centralizar, Compactação – Levar o conjunto para o prato da prensa e centralizar, de modo que o eixo da prensa caia perfeitamente no centro dos orifícios dos anéis de sobrecarga; – Deslocar o pistão e o prato da prensa, de modo que a ponta do pistão toque a superfície do corpo de prova e faça sobre este uma pressão equivalente à carga total de 5 Kgf; 3 Ensaio de CBR O ensaio CBR Ensaio de Penetração � Ajustar o extensômetro para medida do deslocamento, na vertical; �Realizar a penetração com velocidade de 1,25 mm/min Compactação �Realizar a penetração com velocidade de 1,25 mm/min e efetuar leituras de deformação do anel, que forneçam as cargas correspondentes às penetrações de 0,63; 1,25; 2,5; 5,0; 7,5; 10,0 e 12,5 mm; � Curva de penetração: Com os valores de carga e penetração, pode-se traçar uma curva, colocando-se no eixo das ordenadas os valores de carga (Kgf) e no eixo das abscissas, os valores de penetração (mm). 3 Ensaio de CBR Compactação 3 Ensaio de CBR Cálculo do CBR – O índice de suporte Califórnia (CBR), em porcentagem, para cada corpo de prova, é obtido pela fórmula: Compactação Adota-se para o índice CBR o maior dos valores obtidos para as penetrações de 0,1” (2,5 mm) e 0,2” (5,0 mm) Pressão-padrão para penetração de 2,5mm = 70 kg/ cm2; Pressão-padrão para penetração de 5,0mm = 105 kg/ cm2;
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