Materiais de Construção IIIAula 07 – Compactação dos Solos

Prof. Lucas Deleon Ferreira

1 12/05/2014

Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais

IPUC – Engenharia Civil

Introdução

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O solo para ser utilizado como material de construção (aterros, barragens,

pavimentos rodoviários, etc..) deverá atender determinadas especificações.

Quando o solo disponível não atende a tais exigências, ele deverá ser

submetido a um tratamento adequado, para que venha então a adquirir as

características e propriedades que permitam sua utilização.

Tratamento dos Solos

Estabilização dos Solos

Reforço dos Solos

Técnicas de tratamento dos Solos

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Estabilização Mecânica: a melhoria do solo é obtida por meio da

aplicação de algum tipo de energia mecânica, normalmente associada a

processos de compactação, vibração e/ou impacto (ex.: compactação do

solo em aterros de barragens).

Compactação profunda

Pressão estática

Vibração

Técnicas de tratamento dos Solos

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Estabilização Hidráulica: a melhoria do solo é obtida por meio da

adoção de princípios condicionados pela remoção da água intersticial (ex:

adensamento e aceleração dos recalques de um solo mole por meio de

drenos verticais de areia);

Técnicas de tratamento dos Solos

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Estabilização Física ou Química: a melhoria geotécnica do solo é

obtida através da aplicação de processos físicos e/ou adição de

estabilizantes químicos ao solo original (ex: estabilização granulométrica do

solo; mistura solo-cimento; congelamento do solo);

Técnicas de tratamento dos Solos

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Reforço de Solos: a melhoria geotécnica do solo é alcançada pelainclusão de reforços na massa de solo (na forma de lâminas, barras, mantas,geogrelhas, fibras, etc.) propiciando a formação de uma estrutura compostasolo-reforço distinta do solo original (ex: solo reforçado comgeossintéticos.

Técnicas de tratamento dos Solos

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Reforço de Solos:

Objetivos das técnicas de tratamento dos solos

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Os objetivos das técnicas de tratamento dos solos (como material de

construção ou material de fundação) pode ser resumidas em:

Aumento da resistência/capacidade de suporte;

Redução da compressibilidade e/ou promover a aceleração de recalques;

Redução da permeabilidade/controle das condições de drenagem;

Redistribuição das tensões/deformações;

Redução de comportamentos geotécnicos inadequados, tais como:

suscetibilidade à liquefação, solos expansivos, solos muito erosivos, etc;

Regularização de solos muito heterogêneos e/ou anisotrópicos;

Estabilização Granulométrica dos solos

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Princípios básicos

Combinação de diferentes solos, em proporções adequadas, de

forma a se obter um solo final com características geotécnicas

melhoradas;

Processo associado a parâmetros de granulometria, índice de

consistência e de resistência (CBR) dos solos;

Principais aplicações em projetos de infraestrutura de

pavimentos rodoviários.

Estabilização Granulométrica dos solos

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Estabilização Granulométrica dos solos

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Solos naturalmente estabilizados → Solos bem graduados

A granulometria ideal, segundo Talbolt- Fuller, é expressa pela fórmula:

𝑝 = 100𝑑

𝐷

𝑛

𝑝 = 𝑝𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒𝑚 𝑒𝑚 𝑝𝑒𝑠𝑜, 𝑞𝑢𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑛𝑎 𝑝𝑒𝑛𝑒𝑖𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑏𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑, 𝑠𝑒𝑛𝑑𝑜 𝐷 𝑜 𝑑𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑑𝑜𝑠 𝑔𝑟ã𝑜𝑠

𝑛 = 𝑒𝑥𝑝𝑜𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 0,25 𝑎 0,5(geralmente considerado 0,5)

Fração fina (experiência em pavimentos rodoviários):

Solos de clima temperado: LL ≤ 25% e IP ≤ 6%

Solos tropicais: LL ≤ 40% e IP ≤ 15%

𝑛 < 0,4: 𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑛𝑜𝑠

𝑛 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 0,4 𝑒 0,6: 𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑢𝑎çã𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑡í𝑛𝑢𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎 (𝑑𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑎𝑏𝑟𝑎𝑛𝑔𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑜𝑑𝑎𝑠𝑎𝑠 𝑓𝑟𝑎çõ𝑒𝑠 𝑔𝑟𝑎𝑛𝑢𝑙𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎𝑠). 𝑆ã𝑜 𝑚𝑖𝑠𝑡𝑢𝑟𝑎𝑠 𝑒𝑠𝑡á𝑣𝑒𝑖𝑠 𝑔𝑟𝑎𝑛𝑢𝑙𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒

𝑛 > 0,6: 𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑢𝑎çã𝑜 𝑎𝑏𝑒𝑟𝑡𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑡í𝑛𝑢𝑎: 𝑓𝑎𝑙𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑛𝑜𝑠

Estabilização Granulométrica dos solos

Normas para bases estabilizadas

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Especificações granulométricas empíricas, baseadas em ensaios de laboratório ecampo.

LL ≤ 25% IP ≤ 6%

Para evitar o acúmulo de finos na parte inferior da curva de máxima densidade,deve-se impor a relação:

– % de material que passa na #200 (0,075 mm) não deve ultrapassar 2/3 da %de material que passa na #40 (0,42 mm)

Estabilização Granulométrica dos solos

Normas para bases estabilizadas

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Usualmente aceitam-se as especificações da AASHTO, segundo as quais os

materiais que se destinam a bases estabilizadas devem satisfazer os

seguintes requisitos:

A distribuição granulométrica se enquadre num dos seis tipos indicados no quadro a

seguir;

Fração passante na # 200 não deve ser maior do que 2/3 da fração que passa na # 40;

Fração passante na # 40 deve ter LL ≤ 25% e IP ≤ 6%;

Dosagem dos componentes na estabilização

granulométrica

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Dada a faixa granulométrica exigida, o problema passa a ser a obtenção da

mistura que se enquadre nessa faixa, a partir dos materiais disponíveis.

Existem vários métodos para se fazer a combinação dos materiais,

podendo-se citar:

Método das tentativas;

Método algébrico;

Método Gráfico de Rothfuchs;

Dosagem dos componentes na estabilização

granulométrica

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Método de tentativa e erro

No método de tentativa e erro, a partir da distribuição granulométrica dos materiais

disponíveis e da faixa granulométrica especificada, é feita uma primeira estimativa das

porcentagens a serem utilizadas de cada material. Essa primeira estimativa baseia-se

na experiência ou na visualização gráfica da granulometria dos materiais disponíveis.

Em geral são identificadas peneiras críticas, que servem de ponto de partida para a

definição das

porcentagens a serem utilizadas. Por exemplo, considere-se o caso da mistura de três

materiais, sendo que apenas um deles apresenta silte em sua composição. Caso a

especificação seguida exija que a mistura contenha y% de silte, essa porcentagem

deverá ser integralmente fornecida pelo único material disponível apresentando tal

fração. Esse fator limitante define a porcentagem mínima do referido material na

mistura.

De forma semelhante podem ser estimadas as porcentagens dos demais materiais.

Calcula-se então a curva granulométrica resultante da mistura e verifica-se se a curva

se enquadra dentro da faixa granulométrica especificada. Caso isso não ocorra, são

feitos ajustes em um processo cíclico, até que o resultado obtido seja satisfatório

Dosagem dos componentes na estabilização

granulométrica

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Método algébrico

O projeto de misturas deve considerar o número de materiais a serem misturados e

as tolerâncias das especificações a serem atendidas. Como as especificações são feitas

para vários intervalos de diâmetros de grãos e como esses intervalos são quase

sempre em número superior ao número de materiais disponíveis para a mistura, o

projeto de misturas recai na resolução de sistemas com mais equações que

incógnitas.

Em tais sistemas, em geral não é possível encontrar uma solução que atenda a todas

as equações simultaneamente. Entretanto, como as especificações não definem uma

única curva granulométrica a ser obtida, mas sim uma faixa, procura-se através do

método algébrico resolver o problema por partes, ou seja, o sistema de equações

completo é subdividido em sistemas menores, com número de equações igual ao

número de incógnitas, e através da solução de vários sistemas menores busca-se

iterativamente uma solução que atenda à faixa especificada.

Exemplo

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Três materiais M1, M2 e M3 têm as porcentagens de pedregulho, areia, silte

+ argila, indicadas na tabela abaixo. Calcular pelo processo algébrico as

porcentagens de cada material para que se tenha uma mistura dentro das

especificações dadas na tabela.

Faixa Granulometria Especificação da Mistura

M1 M2 M3 Limites

Pedregulho (#4) 92 30 - 60-75

Areia (#200) 8 70 - 15-20

silte + argila - - 100 10-20

Total 100 100 100 -

Exemplo

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Faixa Granulometria Especificação da Mistura

M1 M2 M3 Limites Média

Pedregulho (#4) 92 30 - 60-75 67,5

Areia (#200) 8 70 - 15-20 17,5

silte + argila - - 100 10-20 15

Total 100 100 100 - 100

𝑋1𝑎1 + 𝑋2𝑎2 + 𝑋3𝑎3 = 𝐴

𝑋1𝑏1 + 𝑋2𝑏2 + 𝑋3𝑏3 = 𝐵

𝑋1 + 𝑋2 + 𝑋3 = 100

𝑋1𝑥0,92 + 𝑋2𝑥0,30 + 𝑋3𝑥0 = 0,675

𝑋1𝑥0,08 + 𝑋2𝑥0,70 + 𝑋3𝑥0 = 0,175

𝑋1 + 𝑋2 + 𝑋3 = 1

Resolvendo o sistema:

𝑋1 = 68%

𝑋2 = 17,3%

𝑋3 = 15%

Porcentagens necessárias:

𝑝𝑒𝑑𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙ℎ𝑜 = 0,68 ∗ 0,92 + 0,173 ∗ 30 = 67,7%

𝑎𝑟𝑒𝑖𝑎 = 0,68 ∗ 0,92 + 0,17 ∗ 70 = 17,3%

𝑠𝑖𝑙𝑡𝑒 + 𝑎𝑟𝑔𝑖𝑙𝑎 = 0,15 ∗ 100 = 15%

Dosagem dos componentes na estabilização

granulométrica

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Método gráfico de Rothfuchs

O método gráfico de Rothfuchs ou método das áreas balanceadas é aplicável a misturas de

um número qualquer de materiais. Em linhas gerais, tal método consiste em traçar as

curvas granulométricas dos materiais disponíveis para a mistura em um gráfico que tenha

sido construído de forma que sua diagonal represente a curva média da faixa especificada.

Cada curva granulométrica traçada neste gráfico é representada por uma reta equivalente,

escolhida de forma a minimizar as áreas localizadas entre tal reta e a respectiva curva de

origem. Além de se buscar que a área total entre a reta representativa de cada curva e a

referida curva seja mínima, o que significa a busca pela máxima aproximação entre retas e

respectivas curvas, também se deve buscar balanceamento de áreas, ou seja, as áreas

localizadas acima e abaixo de cada curva devem ser mínimas.

Uma vez construídas as retas representativas das curvas granulométricas de cada material,

seus extremos são interligados através de retas auxiliares. As interseções das retas

auxiliares com a diagonal do gráfico, que representa a curva granulométrica média da faixa

especificada, fornecem as porcentagens a serem empregadas dos materiais disponíveis.

Deve-se então verificar, para cada peneira, se as porcentagens indicadas pelo gráfico

fornecem uma mistura com distribuição granulométrica dentro da faixa especificada.

Dosagem dos componentes na estabilização

granulométrica

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Método gráfico de Rothfuchs

Processo gráfico

Calcular a curva granulométrica média da especificação que se pretende utilizar

(curva próxima a de Talbolt);

Em um sistema de eixos coordenados marcar nas ordenadas as porcentagens

passantes (0 a 100%);

Dosagem dos componentes na estabilização

granulométrica

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A escala de peneiras do eixo das abscissas é definida a partir da curva média especificada;

Uma vez definida a escala das abscissas, traçam-se no mesmo gráfico as curvas

granulométricas dos materiais disponíveis;

Para cada curva granulométrica, traçar uma reta de forma que as áreas formadas acima e

abaixo dela sejam equivalentes;

Dosagem dos componentes na estabilização

granulométrica

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Unir a extremidade inferior da última linha de equilíbrio com a extremidade superior da

linha antecedente;

Seguir esse procedimento da direita para a esquerda (linhas tracejadas);

A interseção das linhas tracejadas com a diagonal do retângulo resulta nas proporções

adequadas de cada material;

São definidos então os quantitativos de cada um dos materiais de empréstimo, de modo

que seja produzido um novo material, que atenda às especificações de serviço

Estabilização Granulométrica dos solos

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Obtidas as proporções com que os materiais componentes entram na

mistura e calculados os valores de LL e IP, pelas fórmulas empíricas

conhecidas, realiza-se uma mistura experimental e determina-se a sua

granulometria, bem como o LL e o IP. Havendo divergência entre os valores

encontrados e calculados, as proporções dos materiais devem ser

corrigidos e um nova mistura com novos ensaios devem ser realizados.

A estabilização mecânica, além de uma operação de compactação, é

essencialmente um problema de escolha de um solo que, por si só ou

misturado com outros, satisfaça as exigências vigentes.

Referências

12/05/201424

Caputo, H., P., Mecânica dos solos e suas aplicações. 4.ed Rio de Janeiro: LTC –

Livros Técnicos e Científicos, 1987.

Gomes, R. C. – Estabilidade e reforço de solos (notas de aula do metrado

acadêmico). NUGEO/UFOP

Greco, J.,A., S., – Construção de Estradas eVias Urbanas (notas de aula). UFMG.