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O presente relatório objetivou a determinação da curva de compactação de um solo e os valores de peso específico ótimo máximo γd,opt e teor de umidade ótima wopt , por meio do ensaio de compactação executado com o cilindro de Proctor normal, de acordo com os procedimentos determinados pela NBR 7182 e amostra preparadas pela NBR 6457. A partir de cinco amostras retiradas da compactação do solo no cilindro, fez-se uma análise relacionando suas umidades e os respectivos pesos específicos encontrados, para plotar o gráfico característico. Obtendo-se a umidade ótima e o peso específico ótimo máximo para o material, e ainda estabeleceu-se a energia de compactação do ensaio a partir das características geométricas da aparelhagem de ensaio.
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ - UFPA
INSTITUTO DE TECNOLOGIA - ITEC
FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL - FEC
RELATÓRIO DE ENSAIO DE COMPACTAÇÃO
Carlo Yukio Nunes – 12019038601
Nilson Martins Alves Neto – 12019038701
Belém
2013
ii
Carlo Yukio Nunes – 12019038601
Nilson Martins Alves Neto – 12019038701
RELATÓRIO DE ENSAIO DE COMPACTAÇÃO
Relatório apresentado como requisito parcial
para obtenção do conceito final da disciplina de
Ensaios de Estruturas e Materiais do curso de
Engenharia Civil da Universidade Federal do
Pará – UFPA.
Prof. M. Sc. Paulo Antônio Siso de Oliveira.
Belém
2013
iii
SUMÁRIO
Resumo ............................................................................................................................... iv
1 – INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 1
2 – OBJETIVOS .................................................................................................................. 3
3 – MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................................... 3
3.1 – MATERIAIS .................................................................................................... 3
3.2 – MÉTODOS ....................................................................................................... 3
4 – RESULTADOS OBTIDOS ........................................................................................... 5
5 – CONCLUSÃO ............................................................................................................... 7
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 7
ANEXO A ............................................................................................................................ 8
iv
Resumo
O presente relatório objetivou a determinação da curva de compactação de um solo
e os valores de peso específico ótimo máximo γd,opt e teor de umidade ótima wopt , por meio
do ensaio de compactação executado com o cilindro de Proctor normal, de acordo com os
procedimentos determinados pela NBR 7182 e amostra preparadas pela NBR 6457. A partir
de cinco amostras retiradas da compactação do solo no cilindro, fez-se uma análise
relacionando suas umidades e os respectivos pesos específicos encontrados, para plotar o
gráfico característico. Obtendo-se a umidade ótima e o peso específico ótimo máximo para
o material, e ainda estabeleceu-se a energia de compactação do ensaio a partir das
características geométricas da aparelhagem de ensaio.
Palavra-chave: curva de compactação, solo, umidade ótima.
1
1 – INTRODUÇÃO.
Na construção de taludes rodoviários, barragens de terra ou quaisquer outras estruturas,
os solos soltos devem ser compactados para que seus pesos específicos sejam aumentados. A
compactação aumenta a resistência dos solos, o que, por sua vez, aumenta a resistência das
fundações construídas sobre sua superfície. A compactação também reduz o recalque
indesejado das estruturas e aumenta a estabilidade dos taludes de aterros[1].
A Compactação, em termos gerais, é a densificação do solo por meio da remoção de ar,
o que requer energia mecânica. O grau de compactação de um solo é medido com base no peso
especifico seco (γd). Quando adicionada ao solo durante a compactação, a água atua como um
agente de amolecimento de partículas. As partículas do solo deslizam umas sobre as outras e se
movem para uma posição densamente compactada. Após a compactação, o peso especifico seco
aumenta, em princípio, conforme aumenta o teor de umidade (figura 1.1) [1].
Figura 1.1 – Princípios de compactação (BRAJA, 2011).
Quando o ter de umidade é gradativamente aumentado sob a mesma força de
compactação, o peso dos sólidos, em um volume unitário, aumenta gradativamente. Acima de
um determinado teor de umidade, qualquer aumento tende a reduzir o peso específico seco.
Esse fenômeno ocorre porque a água ocupa os espaços que eram ocupados pelas partículas
sólidas. O teor de umidade no qual o peso especifico seco máximo é obtido é geralmente
chamado de teor de umidade ótimo (wopt) [1].
O teste de laboratório geralmente usado para determinar o peso específico seco máximo
de compactação e o teor de umidade ótimo é chamado de ensaio de compactação Proctor [1].
Para cada teste, a densidade natural de compactação, γ, pode ser calculada por:
𝛾 =𝑊
𝑉(𝑚) Equação (1.1)
Onde:
W = Peso do solo compactado no molde. V(m) = Volume do molde (944 cm3)
Em cada ensaio, o teor de umidade do solo compactado pode ser determinado no
laboratório. Com o teor de umidade (w%) conhecido, o peso específico seco pode ser calculado
por:
2
𝛾𝑑 =𝛾
1+𝑤 (%)
100
Equação (1.2)
𝛾𝑑 =𝐺𝑠×𝛾𝑤
1+𝐺𝑠×𝑤
𝑆
Equação (1.3)
Os valores de γd determinados a partir da equação 1.2 podem ser plotados em um
gráfico, em função dos teores de umidade correspondentes, para obter o peso específico seco
máximo e o teor de umidade ótimo do solo, figura 1.2.
Para dado teor de umidade, o peso específico seco máximo teórico é obtido quando não
há presença de ar nos espaços vazios – i.e, quando o grau de saturação (S) é igual a 100%.
Portanto, o peso específico seco máximo (γd,máx) em um dado teor de umidade com os vazios
sem ar pode ser obtido substituindo-se S = 1 na equação 1.3 [1].
Figura 1.2 – Comportamento do Ensaio de
compactação de argila siltosa (BRAJA, 2011).
Figura 1.3 – Curva de compactação típicas para
quatro solos (BRAJA, 2011).
O teor de umidade tem forte influência sobre o grau de compactação alcançado em um
determinado solo. Além do teor de umidade, outros fatores importantes que afetam a
compactação são o tipo do solo e o esforço de compactação (energia por unidade de volume).
O tipo de solo – i.e, tamanho dos grãos, distribuição granulométrica desses grãos, formato das
partículas, o Gs do solo e quantidade e tipos de minerais de argila presentes – exerce grande
influência sobre o γd,máx e o wopt. A figura 1.3 mostra curvas de compactação típicas obtidas de
quatro solos [1].
A energia de compactação por unidade de volume EC usada no ensaio Proctor normal,
pode ser dada em:
𝐸𝐶 =𝑁×𝐶×𝑊𝑠×𝐻
𝑉(𝑚) Equação (1.4)
Onde:
N = Número de Golpes;
C = Número de Camadas;
Ws = Peso do Soquete;
H = Altura de Queda do Soquete.
3
2 – OBJETIVOS.
Obter a partir do ensaio de compactação do solo os valores do:
Plotar a Curva de Compactação do Solo
Proctor Normal;
Determinar o Peso Específico Máximo
(γd,máx);
Teor Umidade Ótima (wopt);
Energia de Compactação (EC).
3 – MATERIAIS E MÉTODOS.
3.1 – MATERIAIS.
Para realização do ensaio foram utilizados a balança de precisão para pesagem das
amostras de solo, estufa para secagem das amostras, cápsulas metálicas com tampa para coleta
de amostras e determinação da umidade, bandejas metálicas 75 cm x 50 cm x 5 cm, régua de
aço biselada de 30 cm, espátula, cilindro metálico pequeno (cilindro de Proctor) compreendendo
sua base e o cilindro complementar de mesmo diâmetro (colarinho), soquete metálico pequeno
e proveta para aferição da quantidade de água.
Figura 3.1.1 – Equipamentos de ensaio de
compactação Proctor Normal.
Figura 3.1.2 – Diagrama esquemático do
equipamento (BRAJA, 2011).
3.2 – MÉTODOS.
Os procedimento do ensaio de compactação são baseados na NBR 7182:86 e as amostras
preparadas com base na NBR 6457:86. Primeiramente, para realizar o experimento necessitou-
se pesar o cilindro de Proctor, posteriormente colocou-se a amostra de solo na bandeja metálica
(Figura 3.2.1), adicionou-se água destilada gradativamente com o auxílio da proveta (Figura
3.2.2), revolvendo-se continuamente o material (Figura 3.2.3). Fez-se este processo para 5
amostras, dos quais pretende-se obter a a curva de compactação de γd em função w.
Após a completa homogeneização do material, procedeu-se o ensaio de compactação,
este foi executado a partir de 26 golpes distribuídos em 3 camadas de alturas aproximadamente
iguais. Os golpes do soquete foram aplicados perpendicularmente e distribuídos uniformemente
sobre a superfície de cada camada (Figura 3.2.4).
4
Figura 3.2.1 – Amostra de solo na bandeja
metálica.
Figura 3.2.3 – Aferição da quantidade de água a
ser adicionada no material.
Figura 3.2.3 – Homogeneização do material.
Figura 3.2.4 – Compactação do material no
conjunto cilíndrico.
Após a compactação da última camada, foi retirado o cilindro complementar
(colarinho), rasando com auxílio da régua biselada o cilindro base (Figura 3.2.5).
Posteriormente o conjunto foi pesado para obtenção da massa total do solo compactado (Mt).
Com auxílio da espátula foi retirado o corpo de prova do molde, e a partir deste foi preenchido
uma cápsula metálica para determinação da umidade (w%) com auxílio da estufa para secagem
do material das cápsulas e da balança de precisão para determinação dos pesos. Após o
procedimento juntou-se o material obtido com o remanescente na bandeja para execução de
outra compactação a partir de uma nova umidade. Esse procedimento foi repetido por 4 vezes.
Figura 3.2.5 – Arrasamento do cilindro base com a régua biselada.
5
4 – RESULTADOS.
As características do cilindro metálico de Proctor, para um diâmetro D, uma altura h,
um volume do molde V(m) e massa do cilindro M(m) estão listada na tabela 4.1.
Tabela 4.1 – Características físicas do cilindro
metálico.
N° D (cm) h (cm) V(m) (cm³) M(m) (g)
11 10 12,73 1.000 2.051
Confeccionou-se a tabela 4.2 a partir dos dados aferidos pela balança após a
compactação da amostra. Devendo-se considerar o volume do cilindro base, obteve-se a massa
da amostra compactada Mac e a massa específica do solo úmido ρ.
Tabela 4.2 – Dados do solo úmido.
M(m) + Mac (g) Mac (g) ρ (g/cm³)
3.605 1.554 1,554
3.670 1.619 1,619
3.975 1.924 1,924
3.945 1.894 1,894
3.855 1.804 1,804
Obteve-se na tabela 4.3 primeiramente as massas das cápsulas, e após a confecção das
cápsulas metálicas a partir dos moldes compactados no ensaio, encontrou-se os resultados da
massa total do solo mais a massa da cápsula (Mt + Mca). Posteriormente após as cápsulas
passarem pela estufa obteve-se os resultados da massa do solo seco mais a massa da cápsula
(Ms + Mca). Devendo-se utilizar estes resultados para encontrar-se os valores da massa de água
(Mw) e a massa do solo seco (Ms), permitindo os cálculos da umidade e da massa específica do
solo seco ρd para cada cápsula.
Tabela 4.3 – Dados para umidade e solo seco.
N° da
cápsula
Mt + Mca
(g)
Ms + Mca
(g) Mca (g) Mw (g) Ms (g) w (%)
ρd
(g/cm³)
2 53,45 50,87 23,13 2,58 27,74 9,30 1,422
3 55,69 52,14 25,42 3,55 26,72 13,29 1,429
8 52,67 49,09 28,43 3,58 20,66 17,33 1,640
10 62,30 55,40 22,81 6,90 32,59 21,17 1,563
12 61,58 52,35 14,5 9,23 37,85 24,39 1,450
Utilizando-se os valores de ρ, ρd e w, confeccionou-se a tabela 4.4 para os pesos
específicos, considerando a gravidade g = 9,81 m/s2 em um V(m) = 10-3 m3 e a partir desses dados
obteve-se a curva de compactação mostrada no gráfico 4.1. A partir da equação 1.3
confeccionou-se as curvas de γd para 3 graus de saturações: 100, 85 e 79 %, e em seguida plotou-
se apenas as curvas a partir dos pontos obtidos. Para este gráfico, considera-se o valor de Gs =
2,62 do solo obtido no relatório antecessor a este e o γw = 9,81x103 N/m3. Obteve-se os valores
de wopt = 18,1% e γd,máx = 16,2 KN/m3.
6
Tabela 4.4 – Pesos específicos dos solos e suas respectivas umidades.
W (N) γ (KN/m3) w (%) γd (KN/m3) γd,S
S (100%) S (85%) S (79%)
15,25 15,25 9,30 13,95 20,67 19,98 19,98
15,88 15,88 13,29 14,02 19,07 18,24 18,24
18,88 18,88 17,33 16,09 17,68 16,75 16,75
18,58 18,58 21,17 15,33 16,53 15,55 15,55
17,70 17,70 24,39 14,23 15,68 14,67 14,67
Gráfico 4.1 – Curva de compactação do material.
Para obter-se o peso específico seco máximo teórico (γd,máx,t) em na dado teor de
umidade ótimo com os vazios sem ar pode ser obtido substituindo-se S = 1 (100%) na equação
1.3. Com resultado de γd,máx,t = 17,44 KN/m3.
Na tabela 4.5, utilizou-se os parâmetros do ensaio, o número de golpes N, o número de
camadas C, a o peso do soquete Ws, a altura de queda do soquete H, o volume de solo
compactado no molde V(m) para a determinação da energia de compactação EC na qual o ensaio
de Proctor normal foi solicitado.
Tabela 4.5 – Energia de compactação.
N C Ws (N) H (m) V(m) (m³) EC (KJ/m³)
26 3 24,53 0,305 10-3 583,49
7
5 – CONCLUSÃO.
Os objetivos foram alcançados, porém devendo-se fazer algumas análises e
considerações em comparação a base teórica consultada.
Comparando-se a curva obtida no ensaio com as curvas típicas para quatro solos
mostradas na figura 1.3, nota-se que o solo ensaiado apresenta um comportamento próximo de
uma “areia mal graduada” e uma “argila altamente plástica”. A característica típica da curva
poder ser representada, de acordo com o Anexo A, pelo tipo B ou C necessitando-se do
conhecimento prévio do Limite de Liquidez (LL) do solo e mais pontos de umidade w na curva
de compactação para diferenciar os dois tipos.
Na curva de compactação obtida, nota-se que o γd tem uma tendência geral de primeiro
diminuir conforme o teor de umidade aumenta, e depois aumentar até o valor máximo,
conforme a umidade continua aumentando. A redução inicial do γd em função do aumento do
w pode ser atribuída ao efeito da tensão capilar, que em teores de umidade menores a água do
poro inibe a tendência que as partículas do solo têm de se movimentar e se organizar de forma
mais compacta. Ressalta-se que uma outra possibilidade é devido à erros no processo de
compactação do solo no cilindro de Proctor.
Nota-se no gráfico da curva de compactação que a curva de saturação para S = 85% se
aproxima da curva de compactação a partir do ponto em que ocorre a queda, ou seja, o ponto
de γd,opt e wopt, estabelecendo a região próxima do limite de crescimento da curva de
compactação. O valor S = 79% para Gs = 2,62 obtido no ensaio de índices físicos é o que
representará o real limite da curva de compactação. E considerando esses dados, o valores reais
de γd,opt e wopt serão menores do que o encontrado na tangente do ponto máximo da curva.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT. Solo – Ensaio compactação: NBR 7182.
Rio de Janeiro, 1986.
Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT. Amostra de solo – Preparação para
ensaios de compactação e ensaios de caracterização. NBR 6457. Rio de Janeiro, 1986.
[1] BRAJA, M. Das; Fundamentos de Engenharia Geotécnica. Tradução por EZ2 Translate. 7ª
edição. São Paulo: Cengage Learning, 2011, p. 101-108.
8
ANEXO A
Lee e Suedkamp (1972) estudaram as curvas de compactação de 35 amostra de solo.
Eles observaram que quatro tipos de curva de compactação podem ser obtidos, que são
apresentados na figura A.1. A tabela a seguir é um resumo dos tipos de curvas de compactação
encontradas em vários solos, com referência à figura A.1.
Tabela A.1 - Características de curvas.
Tipo de curva de compactação (Figura A.1) Descrição da curva Limite de Liquidez
A Formato de sino 30 < LL < 70
B Um pico e meio LL <30
C Pico duplo LL < 30 ou LL > 70
D Formato assimétrico LL> 70
Fonte: BRAJA, 2011.
Figura A.1 – Vários tipos de compactação encontradas nos solos.