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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ACRECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
CURSO DE ENGENHARIA CIVILDISCIPLINA: MECÂNICA DOS SOLOS IPROFESSOR: MSC. MARCELO BORGES
TÉCNICAS ESPECIAIS DE COMPACTAÇÃO
ANTONIA ALANA LIMA PACHECOEDUARDO COELHO WILBERTHALINA DOS SANTOS SALLES
HENRIQUE ALVES SALESIZUARA BECKMANN PINNO
LUIZ GUILHERME DE OLIVEIRA FERRAZ
RIO BRANCO – ACABRIL DE 2013
ANTONIA ALANA LIMA PACHECOEDUARDO COELHO WILBERTHALINA DOS SANTOS SALLES
HENRIQUE ALVES SALESIZUARA BECKMANN PINNO
LUIZ GUILHERME DE OLIVEIRA FERRAZ
TÉCNICAS ESPECIAIS DE COMPACTAÇÃO
Trabalho apresentado para avaliação da disciplina de Mecânica dos Solos I do Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal do Acre ministrada pelo professor Msc. Marcelo Borges.
RIO BRANCO – ACABRIL DE 2013
1.0 INTRODUÇÃO
Muitas vezes na prática da engenharia geotécnica, o solo de um determinado local não
apresenta as condições requeridas pela obra. Ele pode ser pouco resistente, muito compressível
ou apresentar características que deixam a desejar do ponto de vista econômico. Uma das
possibilidades é tentar melhorar as propriedades de engenharia do solo local.
A compactação é empregada em diversas obras de engenharia, como: aterros para
diversas utilidades, camadas constitutivas dos pavimentos, construção de barragens de terra,
preenchimento com terra do espaço atrás de muros de arrimo e reenchimento das inúmeras
valetas que se abrem diariamente nas ruas das cidades. Os tipos de obra e de solo disponíveis vão
ditar o processo de compactação a ser empregado, a umidade em que o solo deve se encontrar na
ocasião e a densidade a ser atingida.
As técnicas de compactação são relativamente recentes e o seu controle ainda mais
recente. Antes delas os aterros eram feitos simplesmente lançando-se o material pela sua ponta.
Resultava disso: uma compressibilidade exagerada do aterro devido aos grandes vazios que
podiam formar-se entre as camadas lançadas, a grande porosidade do próprio material que
permanecia em estado fofo, e a instabilidade do aterro, o qual poderia perder totalmente sua
resistência se, porventura sofresse saturação por chuvas pesadas. Tudo isso levava a que os
aterros necessitassem de certo período de consolidação, para que pudessem ser utilizados com
segurança.
O presente trabalho pretende apresentar técnicas especiais de compactação. Vários
métodos foram desenvolvidos para compactação profunda de solos no local, sendo esses
aplicados em obras que necessitam de compactação em grande escala. Assim, serão apresentados
a vibroflutuação, a compactação dinâmica e a detonação que exemplificam técnicas de
compactação especiais.
2.0 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Apresentar as técnicas especiais de compactação mais empregadas desenvolvidas para
compactação em grande escala e profunda de solo, como: vibroflutuação, a compactação
dinâmica e a detonação.
2.2 OBJETIVO ESPECÍFICO
Definir e caracterizar os métodos: vibroflutuação, compactação dinâmica e detonação,
demonstrando o processo de compactação completo em campo e os equipamentos utilizados.
3.0 TECNICAS ESPECIAIS DE COMPACTAÇÃO
Vários tipos especiais de técnicas de compactação foram desenvolvidas para
compactação profunda de solos no local. Tais técnicas são aplicadas no campo para compactação
em grande escala. Entre elas, os métodos mais empregados são a detonação, a vibroflutuação e a
compactação dinâmica (Das, Braja, 2011).
3.1 DETONAÇÃO
A detonação é uma técnica que tem sido utilizada com sucesso em muitos projetos de
densificação de solos granulares (Mitchell, 1970). Em geral, as granulometrias de solo adequadas
para compactação por detonação são as mesmas da compactação por vibroflutuação.
O processo envolve a detonação de cargas explosivas, como 60% de dinamite, a certa
profundidade abaixo da superfície, em solo saturado. O espaçamento lateral das cargas varia de
cerca de 3 a 9 m. Normalmente, são necessárias de três a cinco detonações bem-sucedidas para a
obtenção da compactação desejada.
A compactação (até uma compacidade relativa de cerca de 80%) a uma profundidade de
aproximadamente 18 m sobre uma área ampla pode ser facilmente obtida por meio desse
processo. Em geral, as cargas explosivas são posicionadas a uma profundidade de cerca de dois
terços da espessura da camada de solo a ser compactada. A zona de influência de compactação
produzida por uma carga de 60% de dinamite pode ser determinada pela equação a seguir
(Mitchell. 1970).
r=√W EX
C
Onde,
r = Zona de Influência
W EX = Peso do explosivo - 60% dinamite
C = 0,0122 quando W EXestá em kg e r está em m
A Figura 1 mostra os resultados dos ensaios de densificação do solo por detonação em
uma área de 15 m por 9 m (Mitchell, 1970). Para estes ensaios, foram utilizadas 20 cargas de
2,09 kg de Gelamite nº 1 (Hercules Powder Company, Wilmington, Delaware).
Figura 1 – Recalque do solo em função do número de cargas explosivas.
3.2 VIBRO FLUTUAÇÃO
A vibroflutuação é uma técnica para densificação in situ de camadas espessas de
depósitos de solos granulares fofos. Essa técnica foi desenvolvida na Alemanha, na década de
1930. O primeiro equipamento de vibroflutuação, nos Estados Unidos, foi usado há cerca de dez
anos. O processo envolve o uso de uma unidade Vibroflot (também chamada de unidade
vibratória), que tem cerca de 2,1 m de comprimento (como mostra a Figura 2). A unidade
vibratória está equipada com um peso excêntrico em seu interior, capaz de gerar força centrífuga,
o que permite que a unidade vibre na posição horizontal. Existem aberturas nas partes inferior e
superior da unidade, as quais permitem a passagem de jatos de água. Um tubo de
acompanhamento é conectado à unidade vibratória. A Figura 2 mostra o conjunto completo do
equipamento necessário para realizar compactações em campo.
O processo completo de vibroflutuação em campo pode ser dividido em quatro estágios
(Figura 3):
Estágio 1: O jato de água na base do Vibroflot é ligado e baixado até o solo.
Estágio 2: O jato de água cria uma condição de solo movediço e permite que a unidade
vibratória afunde no terreno.
Estágio 3: O material granular é derramado pela abertura superior do furo. A água do jato
inferior é transferida para o jato na parte superior da unidade vibratória. Essa água
carrega o material granular em direção ao fundo do furo.
Estágio 4: A unidade vibratória é gradualmente levantada em passos de cerca de 0,3 m e
mantém a vibração em cada passo por cerca de 30 segundos. Esse processo compacta o
solo até o peso especifico desejado.
Tabela 1 – Resultados do ensaio Proctor normal de cinzas pesadas e escória de cobre.
Figura 2 – Unidade de vibroflutuação (Vibroflotation).
Figura 3 – Compactação pelo processo de vibroflotation.
Detalhes sobre os vários tipos de unidades Vibroflot usadas nos Estados Unidos são
fornecidos na Tabela 2. Observe que unidades elétricas de 23 kW (30 hp) são empregadas desde
o fim da década de 1940. As unidades de 75 kW (100 hp) foram introduzidas no inicio da década
de 1970.
A zona de compactação ao redor de uma sonda varia de acordo com o tipo de Vibroflot
usado. A zona de compactação cilíndrica possui um raio de cerca de 2 m no caso da unidade de
23 kW. Este raio pode aumentar para 3 m nas unidades de 75 kW.
Os padrões de espaçamento típicos das sondas Vibroflot são mostrados na Figura 4.
Padrões quadrados e retangulares geralmente são usados para compactar o solo para fundações
rasas e isoladas. Os padrões de triângulos equiláteros geralmente são usados na compactação de
grandes áreas. O sucesso da densificação do solo in situ depende de vários fatores, dos quais o
mais importante é a distribuição granulométrica do solo e o tipo de aterro usado para preencher
os furos durante a remoção da unidade Vibroflot. A faixa granulométrica do solo in situ, marcada
como Zona 1 na Figura 5, é a mais adequada para compactação pelo método de vibroflutuação.
Os solos que contêm quantidades excessivas de areia fina e partículas com dimensões de
silte são de difícil compactação, e um esforço considerável deve ser aplicado para que a
compacidade relativa de compactação correta seja alcançada. A Zona 2, na Figura 5, é o limite
inferior aproximado da distribuição granulométrica para a qual a compactação por vibralutuação
é eficiente. Os depósitos do solo nos quais a distribuição granulométrica esteja na Zona 3 contém
quantidades consideráveis de pedregulho. Para este tipo de solo, a velocidade de penetração da
sonda pode ser baixa e economicamente desfavorável em longo prazo.
A distribuição granulométrica do material de aterro é um fator importante que determina
a taxa de densificação. Brown (1977) definiu uma quantidade denominada número de
aplicabilidade para classificar os aterros, expressa pela seguinte equação:
SN=1,7 √ 3(D50)²
+ 1(D 20) ²
+ 1(D10) ²
Onde D50, D20 e D10 são os diâmetros (em mm) através dos quais passam,
respectivamente, 50%, 20% e 10% do material.
Tabela 2 – Tipos de unidade de Vibroflot.
Figura 4 – Padrões de espaçamento típico das ondas Vibroflot para a fundação de uma coluna (a,
b, c e d) e para compactação de áreas muito grandes (e).
Figura 5 - Faixa efetiva de distribuição granulométrica do solo para a compactação por
vibroflutuação.
Quanto menor o valor de SN, melhor é o material de aterro. A seguir, um sistema de
classificação de aterro proposto por Brown:
Tabela 3 – Sistema de classificação de aterro.
Faixa de SN Classificação do aterro
0-10 Excelente
10-20 Bom
20-30 Regular
30-50 Ruim
> 50 Inadequado
3.3 COMPACTAÇÃO DINÂMICA
Consiste basicamente em deixar cair sobre uma camada de solo, com espessura
determinada, colocada em um cilindro padrão, um certo peso (martelete) de uma certa altura, um
número determinado de vezes (conforme a NBR 7182/86). Todas estas variáveis dependem do
tipo de energia de compactação que se deseja aplicar. Quando se varia um destes fatores como
altura, peso, número de golpes, ou espessura da camada varia-se a energia de compactação e,
com isso, o resultado que se pretende obter (BALMACEDA, 1991).
Figura 6 – Fotografia de uma compactação dinâmica
Normalmente é aplicada em solo granular e aterros de baixa resistência, uma vez que a
energia transmitida pelo batimento percorre apenas alguns metros. O martelete pesa de 80 a 360
kN e sua altura de queda varia entre 7,5 e 30,5 m. O grau de compactação alcançado depende do
peso do martelete, da altura da queda deste e do espaçamento entre os pontos golpeados pelo
martelete. Leonard, Cutter e Holtz (1980) sugeriram que o valor aproximado da profundidade
significativa que afeta a compactação pode ser expresso por:
D=12 √W H h
Onde,
D = profundidade significativa de densificação (m)
W H= peso em queda (toneladas métricas)
h = altura da queda (m)
O conceito básico do ensaio de Proctor, segundo BURMISTER (1964) em seus estudos
sobre a compactação de solos, é que o teor de umidade no qual um solo fino ou argiloso é
compactado determina a densidade que pode ser alcançada por uma dada energia de
compactação. Assim, a densidade máxima alcançada através da compactação não é uma
propriedade fixa e constante do solo, para qualquer solo granular fino, mas sim uma variável
dependente da energia de compactação utilizada, seja em campo ou em laboratório. E, em
contraste com os solos granulares finos, os solos granulares apresentam bem definidos seus
limites máximos e mínimos de densidade.
Nos processos de compactação dinâmica em laboratório a energia específica de
compactação pode ser tomada como sendo (BALMACEDA, 1991):
Ec=N .n .m.hV
Onde,
Ec: energia de compactação
N : número de golpes por camada
n: número de camadas
m: peso do soquete
h: altura de queda do soquete
V : volume total da amostra de compactação
3.3.1 IMPLANTAÇÃO E MÉTODOS
A disposição dos pontos de impacto e os outros parâmetros da técnica dependem das
características do solo e das melhorias necessárias para suportar a estrutura dentro das
tolerâncias. Para a energia regular, guindastes sobre esteiras com peso entre 80 e 120 toneladas
são feitos com características especiais para esta finalidade. Durante a compactação dinâmica,
um efeito imediato e um fenômeno diferente podem normalmente ser distinguidos.
Figura 7 – Esquema de compactação dinâmica
O efeito imediato, predominante na maioria dos casos, resulta numa redução instantânea
da relação de vazios do solo, que é medida diretamente no local pelo estabelecimento global após
o impacto. Já o diferente fenômeno pode ocorrer em certos tipos de solos saturados, onde a alta
energia de impacto pode resultar em um súbito aumento da pressão de água nos poros que pode
criar uma parcial liquefação do solo. Este aumento de pressão é rapidamente seguido por um
período de dissipação ou de descanso no qual os grãos da estrutura do solo são reorganizadas em
um estado mais denso.
Os parâmetros da técnica de compactação, tais como o espaçamento entre os impactos, o
número de quedas por localização, número de fases de compactação são geralmente confirmadas
no local durante o teste piloto (zona de calibração), que pode incluir testes confirmatórios. A
compactação dinâmica é executada em fases até a obtenção dos requisitos, necessitando
geralmente de várias fases de compactação com uma fase final de engomar de quedas baixa
energia e alta densidade.
Figura 8 – Desenho da compactação.
3.3.2 VANTAGENS E DESVANTAGENS
Compacta áreas de solos granulares soltos, descontroladamente preenchidos ou perdidos
Aumenta a densidade e diminui os vazios
Aumenta a capacidade de suporte de solos granulares
Reduz o volume dos aterros
Processo relativamente caro e demorado
Não é válido para áreas povoadas ou totalmente desenvolvidas, porque as ondas de
choque geradas por este método pode afetar outras utilidades subterrâneas ou as
estruturas adjacentes - Isto pode ser evitado, enquanto trabalhava em áreas
congestionadas ou povoada usando pequenos pesos, o que reduz a intensidade das
vibrações, produzidos, mas também pode ser feito por cair os pesos de alturas menores.
A técnica pode ser complicada quando é feita cerca de 2 m abaixo do nível do solo - Para
o sucesso do tratamento, o nível do site inteiro é para ser levantado com o uso de
materiais importados.
Causa poluição ambiental, fazendo barulho, rajadas de ar, vibrações e deformação
permanente do solo.
3.3.3 APLICAÇÕES
Técnica para galpões industriais, plataformas de aeroportos, aterros de ferrovias e
rodovias, armazenamentos pesados e taques.
Bem apropriado ao tratamento de preenchimento de solos heterogêneos e não-orgânicos,
que contêm largos blocos que podem ser obstáculos para outras soluções.
Bem apropriado à melhoria de plataformas grandes e planas por causa das altas taxas de
produção;
Bem apropriado e comumente usado para a mitigação de liquefação.
4.0 CONCLUSÃO
O estudo da técnica e controle da compactação é relativamente recente e tem sido
desenvolvido principalmente para a construção de aterros. A compactação é um processo no qual
se visa melhorar as propriedades do solo garantindo certa homogeneidade, procedendo-se a
eliminação do ar.
Técnicas como vibroflutuação, compactação dinâmica e detonação são métodos que
garantem a estabilização e melhoria do solo através de processos mecânicos, visando reduzir o
volume de vazios do solo. Esses processos tem em vista aumentar a intimidade de contato entre
os grãos e tornar o aterro mais homogêneo melhorando as suas características de resistência,
deformabilidade e permeabilidade. Os equipamentos utilizados nos métodos são de grande porte
e, portanto, elevam o custo da obra.
Sendo assim, a compactação não pode ser vista como uma tarefa simples, devendo ser
devidamente articulada com o cálculo de volumes de escavação e aterro, e distribuição de terras.
No cálculo dos movimentos de terra deve ser calculada a produção de escavação, transporte,
colocação do material e nivelamento para que a compactação se possa desenrolar sem paragens
ou atrasos. Neste trabalho procurou-se sempre considerar os métodos que se obtém uma
compactação com qualidade e sem atrasos. Abordando as diferentes metodologias e
características relativas ao tema da compactação.
5.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
DAS, Braja M. Fundamentos de Engenharia Geotécnica / Braja M. Das. Tradução EZ2Translate.
Revisão técnica Leonardo R. Miranda. 7° Edição. São Paulo. Cengage Learning. 2011.
MITCHELL, J. K. Fundamentals of Soil Behavior. Nova York. John Wiley & Sons, Inc, 1970.
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