Antigamente os aterros eram executados simplesmente “lançando-se o material pelas pontas” e então aguardava-se o chamado “tempo de consolidação” que poderia durar anos, até décadas. Enquanto isto, sofriam deformações que eram corrigidas à medida da necessidade. O desenvolvimento dos meios de transporte, em especial o rodoviário (que se tornaram inclusive mais pesados) e o advento da pavimentação asfáltica, bem como a urgência da utilização, com maior conforto para os usuários, provocou o surgimento de uma técnica mais apurada do serviço de compactação e do seu controle de qualidade. Os primeiros estudos mais racionais foram desenvolvidos pelo Engenheiro da Califórnia R.R. PROCTOR (1933, Los Angeles Bureu of Water Works – U.S.A.), ao analisar a relação entre a energia, a umidade e o peso específico, visando conciliar a natureza do solo com o tipo de equipamento empregado na compactação e as características estruturais pretendidas para a obra.
Naturalmente a técnica aplica-se para o solo como material de construção e, muitas vezes associado ao processo de correção ou mistura granulométrica, constitui um método de melhoria das características do solo (Estabilização Mecânica).
Definição
Compactação “é a operação pela qual se obtém para um solo uma estrutura estável, por meio de esforços mecânicos e em condições econômicas. Um solo é estável quando conserva suas características mecânicas sob condições previstas, tais como solicitações a esforços, intempéries etc.
Na compactação as partículas do solo são forçadas a agruparem-se mais estreitamente através de uma redução nos vazios de ar. É pois um processo de densificação, na qual a água age como lubrificante.”
Objetivos
Visa melhorar as seguintes propriedades geotécnicas :
- resistência (melhora a estabilidade dos taludes; aumenta a capacidade de suporte); - permeabilidade (reduz a tendência do solo em absorver água);
- compressibilidade (reduz o recalque);
- variação volumétrica (expansão e contração).
Campo de aplicação
Obras de:
- barragens de terra, de rejeito de mineração, diques, canais, rodovias, ferrovias, aeroportos, encontro de pontes, fechamento de valas, aterros sanitários, aterros em geral.
Fig. 3.1
No exemplo da Fig. 3.1 são
mostradas trincas numa
edificação decorrentes de recalques de fundação assente em terreno de corte e aterro mal compactado.
Curvas de Compactação, Saturação e Resistência
a) Curva de Compactação
Compactando-se um determinado solo (δ) com uma energia de compactação (E) constante, à medida que
o teor de umidade (h) aumenta o peso específico aparente seco (γs) também aumenta, até atingir um valor
máximo (γs,máx.) e daí, passa a cair, dando origem à chamada Curva de Compactação (Fig. 3.2), a qual só
pode ser obtida através de procedimentos práticos, em laboratório ou campo.
A abscissa correspondente ao ponto γs,máx. é chamada de (teor de) umidade ótima – hot., que é a melhor
umidade para se compactar aquele solo, com aquela energia.
Fig. 3.2
A compactação se processa principalmente pela redução do ar existente no solo. Com o aumento da quantidade de água, a saída do ar vai ficando cada vez mais difícil, provocando a geração de ar ocluso. A partir desta umidade, a adição de água ao sistema só tende a aumentar o volume de vazios saturados e em consequência diminuir o peso específico seco. (GEOFAST)
b) Curva de Saturação
É uma curva traçada no mesmo sistema de eixos (h versus γs) que a de Compactação e representa um
limite da posição da Curva de Compactação no gráfico. Ela correlaciona γ e h quando o solo se encontra saturado.
Sua equação é: (Eq. 3.1)
que vem daquela conhecida fórmula de correlação de Índices Físicos dos solos: = −1
s g e γ γ , onde γg = δ.γa e e = h.δ/S, sendo S o Grau de Saturação, em %.
δ
γ
δ
γ
.
1
.
h
a s=
+
O formato desta curva é um trecho de uma “hipérbole equilátera” (Fig. 3.3). Para traçá-la basta conhecer o valor da densidade (δ) das
partículas do solo, considerar γa = 10 kN/m3,
atribuir valores para uma das variáveis (γs ou h)
e calcular a outra pela Eq. 3.1
Fig. 3.3: h h s = + 1 γ γ
c) Curva de Resistência (ou de Estabilidade)
Representa a variação do valor da resistência do solo compactado em função do seu teor de umidade de compactação. Esta resistência (R) pode ser o CBR – California Bearing Ratio, a Resistência à
Compressão não-confinada – qu, a Resistência à Compressão Triaxial, a resistência da Agulha Proctor ou
outras. A resistência cai com o aumento da umidade de moldagem (Fig. 3.4). Esta curva só pode ser traçada a partir de ensaios de laboratório ou de campo.
Fig. 3.4
As 3 curvas em conjunto explicam porque se deve compactar o solo na chamada “condições ótimas”, ou seja, na hot., até se atingir γs,máx. Acompanhe na Fig. 3.5 o seguinte raciocínio :
- compactar o solo numa umidade baixa (ponto 1) parece vantajoso, pois a resistência inicial é alta (ponto 2);
- porém o peso específico é baixo (ponto 3), o que significa elevado índice de vazios (solo muito poroso) e assim, em época de chuvas, absorve muita água e alcança uma umidade elevada (ponto 4),
saturando-se. Então a resistência cai muito (ponto 5), ΔR1.
- Compactar o solo numa umidade alta (ponto 4) já fica descartado pois a resistência inicial é baixa (ponto 5).
- Agora, compactar na hot. (ponto 6) a princípio não leva a nenhum valor notável de resistência (ponto
7) (nem muito alto, nem muito baixo). Porém, o peso específico é máximo (ponto 8), o que significa que o índice de vazios é mínimo, levando a absorver pouca água ao se saturar (ponto 9). A resistência
não deixa de cair um pouco (ponto 10), mas esta é a menor variação de resistência possível, ΔR2.
ΔR2 << ΔR1 !
Fig. 3.5
Portanto, as “condições ótimas” não levam propriamente à maior resistência, mas sim à condição mais estável, ou seja, aquela seria, na verdade, a “maior resistência-estável”.
Influência do tipo de solo na compactação
Quanto mais arenoso for o solo, menor a hot. e maior o γs,máx. (Como se a curva fosse deslocando para a
esquerda e para cima): Fig. 3.6-a
Influência do valor da energia da compactação
Quanto maior for a energia de compactação, menor a hot. e maior o γs,máx. (idem): Fig. 3.6-b.
Fig. 3.6-a Fig. 3.6-b Métodos de Compactação (Formas de transferencia da energia para o solo)
a) Dinâmico vibração
impacto (ou percussão) Caracteriza-se pela ação da energia cinética; o solo é compactado por intermédio de um peso (soquete) que cai de uma certa altura. É ainda o mais empregado em laboratório. Exemplos:
- Proctor (Normal – PN, Intermediário – PI, Modificado – PM);
- CSP – Carlos Sousa Pinto - Iowa State University - Mini-CBR / DER-SP P Hq Fig. 3.7-a EC = P. Hq b) Estático (compressão)
Consiste na aplicação de uma carga F que cresce gradativamente desde zero até seu valor máximo, no qual é mantido durante certo tempo, após o que é aliviada. Não há ação da energia cinética (EC).De modo geral, ensaios estáticos de laboratório, o pistão que comprime o solo tem área igual à da seção transversal do cilíndro. F Fig. 3.7-b 0 → F → 0 ( num tempo t) EC = 0 Solo (CP) Solo (CP)
c) Amassamento (pisoteamento ou “kneading”) É devido a HVEEM. Aplica-se uma carga T transiente, isto é, de ação rápida; não há também EC. É o método de laboratório cujos resultados mais se aproximam dos de campo. Exemplo: Harvard miniatura
T
Fig. 3.7-c
0 → T → 0 (num tempo Δt muito pequeno) São usadas também, combinações destes métodos.
Compactação no laboratório
O objetivo do ensaio de compactação é determinar uma curva umidade × peso específico comparável à que corresponde ao mesmo material quando compactado por meio de equipamentos e procedimentos empregados na obra. De acordo com o objetivo da obra e do equipamento ali empregado, define-se o método de compactação a ser utilizado no laboratório, cada qual caracterizado por sua energia de compactação (E).
O ensaio padronizado Proctor Normal (ou AASHTO Standard), por exemplo, fornece uma energia
próxima de 6 kg.cm/cm3. Utiliza-se ainda, de acordo com as situações, energias superiores a esta, como o
Proctor Modificado E = 27 kg.cm/cm3 e o Proctor Intermediário (do antigo DNER), E = 13 kg.cm/cm3.
“ Na execução do ensaio em condições de laboratório, todos os fatores que o influenciam podem ser controlados com exatidão, mas normalmente isso não é possível nas condições existentes no campo durante os trabalhos de construção. Assim, devido a inúmeros fatores, os ensaios de laboratório não são necessariamente exatamente representativos dos resultados de campo mas apesar disso tem sido amplamente adotados e considerados satisfatórios.”
Compactação no campo (obra)
É executada com o solo numa umidade dentro da faixa especificada pelo laboratório, em torno da ótima
(por exemplo, h = hot. ± 2%, ver item 3.11)
- lisos
- rolos tracionados (ou rebocados) e autopropelidos - pneumáticos
- com patas
- compactadores manuais
Considerações gerais:
Os equipamentos autopropelidos permitem maior maneabilidade e eliminam o problema de manobra no fim da cancha, compactando para frente e ré, descongestionando a pista. Por outro lado, em áreas menores de trabalho, quase sempre é mais econômico usar um rolo rebocado, porque normalmente estará em operação apenas parte do dia e assim o trator poderá ser usado em outros serviços enquanto o rolo fica parado.
A escolha do equipamento adequado para um serviço prende-se a questões econômicas (preço, manutenção, gasto de combustível etc.) e a questões técnicas (peso específico do solo e resistência desejados).
A compactação deve ser feita na umidade ótima para se atingir o peso específico máximo possível, para uma determinada energia de compactação.
Uma vez atingido o γs,máx. é inútil continuar a passar o rolo, pois o aterro não mais se compactará.
Na prática, o que interessa ao empreiteiro da obra saber é quantas vezes deve passar o rolo compressor para que o Grau de Compactação – GC (ver item 3.11) atinja o mínimo especificado. Uma forma de
Solo (CP)
determinar este número de passadas é fazer um ensaio em escala natural no campo (“pista experimental”).
A quantidade de água a ser adicionada ao solo é calculada em função da descarga da barra de distribuição e da velocidade do carro-pipa.
A espessura das camadas é determinada pelo tipo de compactação e também pode ser obtida na pista experimental – Fig. 3-8 (fazendo-se uma rampa e verificando-se o alcance em diferentes profundidades).
Fig. 3-8
Uma forma de se determinar a capacidade máxima do rolo é verificar a melhor relação entre a espessura da camada (e) e o número de passadas (Np) na rampa de prova. Por exemplo, sendo as pistas na rampa de prova compactadas com 3, 4 e 5 passadas a certa velocidade e supondo que a de 3 passadas apresente o grau correto de compactação a uma profundidade de 30 cm, a de 4 a 55 cm e a de 5 a 80 cm, a melhor relação e/Np é 80/5 = 16.
(Engo.Wim Kam, Produtos Vibro, Suécia / Revista Engenheiro Moderno, março 73)
No ensaio Proctor Normal, a energia de compactação corresponde a um rolo compressor do tipo denominado “pé-de-carneiro” de 3 a 5 toneladas de peso total, passando cerca de 10 a 15 vezes em cima de camadas cujas espessuras variam de 15 a 30 centímetros.
O rolo liso é constituído por uma ou mais rodas cilíndricas pesadas, de cargas aproximadamente 10 toneladas. Sua área de impressão é muito pequena, o que restringe o seu emprego para a compactação de camadas de no máximo 10 cm de espessura, pois esta máquina não distribuiu a carga a profundidades maiores.
O rolo pneumático é constituído por rodas geralmente de grande diâmetro, ligadas a um eixo comum, que suporta um vagão pesado, totalizando 25,5 ou até 100 toneladas. São rolos compressores de grande área de impressão, podendo compactar camadas de espessura até 50 centímetros.
No quadro a seguir, adaptado de “Earth Compactation” – M.D. MORRIS – McGraw-Hill Co. Inc., encontram-se os tipos mais apropriados de equipamentos para vários solos (em caráter meramente indicativo).
Tipo de rolo Peso (t)
Espessura da camada após a compactação (cm)
Tipo de solo
Pé de carneiro estático 20 40 Argilas e siltes
Pé de carneiro vibratório 30 40
Pneumático leve 15 15 Misturas: areia com silte e argilas
Pneumático pesado 35 35 Praticamente todos
Vibratório com rodas metálicas lisas 30 50 Areias, cascalhos, materiais granulares
Liso metálico (3 rodas) 20 10 Materiais granulares, brita
Grade (malhas) 20 20 Materiais granulares ou em blocos
Combinados 20 20 Praticamente todos
Controle da compactação
Realizado o ensaio e traçada a curva de compactação, determina-se, a partir do ponto culminante, os
valores da umidade ótima (hot.) a ser compactado na obra e o valor do peso específico aparente seco
máximo (γs,máx.) a ser alcançado. No campo o valor deve ser próximo àquele de laboratório, ou seja, deve
ser alcançado um certo Grau de Compactação (GC), expresso genericamente pela relação:
(Eq. 3.2)
Normalmente o valor mínimo admissível para o GC é especificado à empreiteira pelo projetista e fica sujeito à fiscalização.
A tolerância no valor do γs,máx. reflete-se no da hot., sendo admissível um correspondente desvio de
umidade - Δh, dado por:
(Eq. 3.3) onde h é o teor de umidadeda obra.
O controle da compactação consiste em verificar, através de determinações “in loco”, se o GC e o Δh estão respeitando as especificações de projeto.
100 .) .( , ) ( lab máx s obra s GC γ γ = Δh = h – hot.
Prática
1) Por quê a curva de compactação apresenta aquele formato característico (semelhante a uma parábola com a concavidade voltada para baixo)?
2) Por quê deve-se compactar o solo na obra nas denominadas condições ótimas ? 3) Por quê não é vantajoso compactar o solo com uma umidade baixa, onde ele
apresenta maior resistência inicial?
4) O que acontece com os valores da umidade ótima e do peso específico seco máximo, para um mesmo solo, à medida que aumenta a energia de compactação?
5) Como se classifica o ensaio Proctor quanto a forma de transferência da energia para o solo? Quais são os 3 níveis de energia Proctor adotados no Brasil (pelo DNIT, por exemplo).
6) Em que consiste o Controle da Compactação no campo?
7) Existe alguma tolerância no controle da compactação no campo, em relação às
condições ótimas obtidas em laboratório? Se houver, quais são?
8) Um solo foi ensaiado em laboratório e sua Curva de Compactação apresentou um formato cujo trecho principal pode ser assimilado a uma parábola com a seguinte equação: 10γs = 88h – 2h2 – 808, sendo γs (peso específico seco) em kN/m3 e h (teor
de umidade) em %. Na obra, o ensaio “frasco-de-areia” revelou que o mesmo solo foi compactado (com energia equivalente à de laboratório) até atingir γs = 15,2
kN/m3. Calcule:
a) o valor do Grau de Compactação alcançado e
b) o valor do Desvio de Umidade correspondente.
9) A curva de compactação de um solo usado na construção do pavimento de uma rodovia pode ser expressa com suficiente aproximação pela equação 9γs = 40h – h2 –
265, sendo γs (peso específico seco) em kN/m3 e h (teor de umidade) em %. O
projeto geotécnico exigia GC ≥ 92 % e Δh = ± 2 %. Na obra a fiscalização constatou que o peso específico seco “in situ” obtido pelo frasco-de-areia alcançou 14 kN.m-3. Então o trecho pode ser liberado? Por quê? (Justifique devidamente sua resposta). 10) Um ensaio de Compactação Proctor Normal executado em laboratório forneceu os
pontos abaixo informados, para um certo solo cujo peso específico (real) dos grãos foi determinado como sendo igual a 27 kN.m-3.
Ponto → 1 2 3 4 5 6 7
h (%) 10 13 16 18 20 22 25
γh (kN.m-3) 15,55 16,80 18,75 19,70 20,35 20,20 19,40
Baseando-se nesses dados, faça a resolução dos seguintes itens:
(a) Traçar a curva de compactação e obter o peso específico aparente seco máximo e a umidade ótima.
(b) Traçar um trecho da curva de saturação total.
(c) Se for exigido do empreiteiro que obtenha 93 % de compactação, qual seria o desvio de umidade mais aconselhável?
(d) Qual é o Grau de Saturação médio alcançado pelo ramo úmido da curva de compactação.