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.