Laboratório de Mecânica dos Solos

Primeiro Semestre de 2017

Aula 3 – Compactação dos solos

1. Razões e histórico da compactação

A compactação é a densificação do solo por meio de energia gerada por equipamentos mecânicos. Este processo aumenta o contato entre os grãos do solo, reduzindo o volume de vazios no solo, tornado os aterros mais homogêneos.

Com a compactação do solo ocorre:

• Aumento da resistência;

• Redução da compressibilidade;

• Redução da permeabilidade.

1. Razões e histórico da compactação

A técnica da compactação começou a ser estudada em 1933, pelo engenheiro norte-americano Proctor. Ele constatou que ao aplicar certa energia de compactação ocorria a alteração das propriedades do solo, e que a massa específica resultante desta compactação é função da umidade em que o solo se encontra.

Simultaneamente aos estudos de Proctor, o engenheiro de estradas Porter, também realizou experimentos com a compactação de solos, porém não tiveram a mesma divulgação no meio técnico.

1. Razões e histórico da compactação

Quando se compacta a baixa umidade, pelo fato do alto atrito entre as partículas, não se consegue significativa redução dos vazios, e quando se compacta com umidades mais elevadas, ocorre a lubrificação das partículas do solo, resultando em um arranjo mais compacto. Mas quando a umidade é muito elevada, a compactação não consegue reduzir o volume de vazios do solo com a expulsão do ar em seu interior, pois o ar está envolto por água.

Emprego da compactação dos solos:

• Barragens de terra;

• Base de pavimentos ;

• Aterros sanitários;

• Aterros em geral; etc.

2. Ensaio normal de compactação

Existem diversos ensaios para determinação da compactação do solo. O ensaio padronizado pela NBR 7182 é o Ensaio de Proctor.

O ensaio tem por finalidade determinar a curva de compactação do solo, que define uma massa específica máxima seca (ρd) correspondente a uma umidade ótima (wot) de compactação.

Ensaio de Proctor: (vídeo)

• Secagem ao ar e destorroamento da amostra

• Acresentar água até obter a umidade cerca de 5% abaixo da ótima (próxima ao limite de plasticidade)

• Utiliza-se um cilindro metálico de 1.000 cm³ (h=10 cm, d=12,73 cm)

• Soquete com massa de 2,5 kg com altura de queda de 30,5 cm

• Compacta -se o solo com 3 camadas de 26 golpes

• Utilizar camadas de 1/3 da altura do cilindro

• Raspa-se o excesso de solo para acertar o volume

Curva de compactação:

Após o ensaio de compactação anotar o valor do peso do corpo de prova, para calcular o valor do peso específico natural (γ), e determinar o teor de umidade do solo. Acrescentar 2% de umidade e repetir o ensaio.

Curva de compactação

Curva de saturação:

Corresponde ao local geométrico dos valores de umidade (w) e peso específico aparente seco (γd), estando o solo saturado.

Normalmente a umidade ótima da curva de compactação se situa entre 80 a 90% no grau de saturação.

Curva de saturação

Curva de compactação para diferentes tipos de solos

Solos argilosos

wot = 25 a 30%

γdmax = 14 a 15 kN/m³

Solos arenosos com pedregulhos

wot = 9 a 10%

γdmax = 20 a 21 kN/m³

Solos arenosos finos com argila laterítica

wot = 12 a 14%

γdmax = 18 a 20 kN/m³

3. Métodos alternativos ao ensaio de compactação

Sem reuso do material: o material do Ensaio de Proctor pode ser reutilizado ou não, quando não é reutilizado os resultados são mais confiáveis, pois em uma compactação anterior pode haver a quebra de grãos.

Sem secagem prévia: a água pode ser acrescida ao solo até próximo de sua umidade ótima, a partir de sua umidade natural, da mesma forma que ocorre em campo. A pré-secagem pode influir nas propriedades do solo e dificultar sua homogeneização. Porém a pré-secagem facilita a padronização de procedimentos em laboratório.

3. Métodos alternativos ao ensaio de compactação

Ensaio em solo com pedrugulho:

O ensaio com o cilindro de diâmetro de 10 cm é realizado somente para solos com diâmetro máximo de 4,8 mm (de areia grossa até argila), pois a compactação para diâmetros maiores apresenta dificuldades.

Para solos com diâmetros maiores que 4,8 mm utiliza-se um cilindro de 2.085 cm³ (h=11,43 cm e d=15,24 cm) e um soquete com massa de 4,536 kg com altura de queda de 45,7 cm, compactando o solo em 5 camadas de 12 golpes, mantendo a mesma energia de compactação por volume de solo do ensaio original.

3. Métodos alternativos ao ensaio de compactação

Ensaio em solo com pedrugulho:

Em solos com partículas maiores que 19 mm (≈ pedra), estas são substituidas por um mesmo volume de solo com grãos entre 4,8 e 19 mm.

Quando não há a possibilidade de ensaio de solos com pedregulhos no cilindro grande, deve-se utilizar a fração de solo com granulometria até 4,8 mm no cilindro pequeno. Esta técnica pode somente ser utilizada em solos com fração de até 45% de pedregulhos, pois em frações maiores a compactação em campo fica prejudicada pelo contato direto entre as partículas grandes.

4. Influência da energia de compactação

O aumento da energia de compactação melhora as propriedades do solo, gerando uma maior massa específica seca correspondente a uma menor umidade ótima.

O aumento da energia de compactação somente é eficiente para solos com umidades abaixo da ótima.

4. Influência da energia de compactação

A massa específica seca máxima e a umidade ótima do solo são índices físicos que dependem da energia de compactação. Com o desenvolvimento de equipamento de compactação com maiores energias, os ensaios de laboratório também foram adaptados.

• Ensaio de Proctor Modificado: foi padronizado com a utilização de um cilindro maior (2.085 cm³) aplicando 55 golpes em 5 camadas, gerando portanto, maior energia de compactação.

• Ensaio de Compactação Intermediário: (criado pelo DNER) utiliza as mesmas especificações do Ensaio de Proctor Modificado porém com a aplicação de 26 golpes por camada.

4. Influência da energia de compactação

A energia de compactação pode ser calculada pela seguinte equação:

A tabela abaixo apresenta as energias de compactação para o Ensaio de Proctor, Proctor Modificado e Ensaio de Compactação Intermediário.

5. Estrutura dos solos compactados

A estrutura do solo após compactado depende da energia aplicada e da umidade do solo na compactação.

Com baixa umidade a estrutura face-aresta das partículas não é vencida pela energia aplicada ficando o solo com uma estrutura floculada.

Com maiores umidades a compactação orienta as partículas de forma a ficarem paralelas, estrutura dispersa.

Para uma mesma umidade quanto maior for o grau de compactação maior a dispersão.

5. Estrutura dos solos compactados

Estrutura floculada

Estrutura dispersa

Estrutura muito dispersa

Gráfico esquemático proposto por Lambe.

6. California Bearing Ratio - CBR

A capacidade de suporte de um solo compactado pode ser medida através do método do índice de suporte, que fornece o “Índice de Suporte Califórnia - ISC” (California Bearing Ratio - CBR). Trata-se de um método de ensaio empírico, adotado por grande parcela de órgãos rodoviários, no Brasil e no mundo.

O ensaio CBR consiste na determinação da relação entre a pressão necessária para produzir uma penetração de um pistão num corpo de prova de solo, e a pressão necessária para produzir a mesma penetração numa mistura padrão de brita estabilizada granulometricamente. Essa relação é expressa em porcentagem.

7. Exercício 4.1

Livro CSP – Curso Básico de Mecânica dos Solos (page 76)

Ensaio 1 2 3 4 5

Massa do corpo de prova

(kg)

1,748 1,817 1,874 1,896 1,874

Umidade do solo

compactado w (%)

17,73 19,79 21,59 23,63 25,75

𝑑 =𝑛

1 + 𝑤