Artificially cemented sand under multiaxial loading

Distinct improvement techniques can be used when civil engineering structures are to be built on soils that do not present suitable mechanical characteristics. The soil improvement techniques can vary from compaction to chemical and mechanical stabilisation. This work focuses on the specific case of granular soils treated with low amount of cement. The study aims to investigate the behaviour of a cemented sand under multiaxial loading conditions. A series of advanced tests on reconstituted cemented sand were conducted in a Cubical Cell Apparatus (CCA) and exploration of material response including failure limits under different constant stress paths (θ = 0° and θ = 120°) in the octahedral (π) plane were performed. Results showed strength is higher in vertical direction than in horizontal direction

Stiffness of lightly cemented sand under multiaxial loading

This paper presents experimental triaxial tests conducted on two lightly cemented sand samples on the set-up conditions of a Hollow Cylinder Torsional Apparatus (HCTA). The laboratory study has been carried out on an angular to sub-angular silica sand reinforced with Portland cement of high early strength. The samples have identical porosity/volumetric cement content ratio, η/Civ, values. The Young's modulus and shear modulus were measured by the application of a series of small unload-reload cycles at different investigation points along the triaxial stress path up to about 50% of the maximum deviatoric stress. At these investigation points, additional series of unload-reload cycles of higher amplitudes were also applied and the stiffness moduli assessed using local instrumentation. While the peak strength seems to be controlled by the density of the sand matrix, as extensive bond cementation damages occur at peak and pre-peak stages, the Young's modulus and shear modulus normalised by the void ratio function show the effect of the cementation ratio with higher values for the sample with higher cementation ratio

Assessing the mechanical properties of a cemented sand focusing on experimental and theoretical studies

The incorporation of cement to improve soil properties and attract the re-use of locally available materials has become a part of current geotechnical engineering projects. Its applicability varies from construction of pavement base layers, slope protection for earth dams, to support layer for shallow foundations. Unconfined behaviour might be used to evaluate the basic mechanical properties and efficiency of the cemented soils. The proposed relationship between porosity () and volumetric cement content (Civ), presented as porosity cement index (/Civ), was shown to play an important role in the initial shear stiffness (G0), tensile (qt) and compressive (qu) strength of cemented materials. This research aims to assess these parameters through experimental investigation and modelling predictions. Bender elements testing were carried out to assess the maximum initial shear stiffness (G0) prior to specimens testing, and assessing G0 evolution during cement hydration, focusing on the anisotropic/isotropic behaviour established during specimen moulding. Results show a good correlation between experimental and numerical data. It was also observed that cementation isotropises G0 during curing

Resposta de uma areia cimentada sob carregamentos multiaxiais

The improvement of soil with the use of chemical agents is a common technique in geotechnical engineering. Although the use of cement is widely employed in the field, the behaviour of the mechanisms of soil response to multiple loadings is still not fully known. Previous studies have shown that even small amounts of cement add to the soil characteristics as strength, reduction to liquefaction potential, durability and lower deformability. This thesis presents experimental tests conducted on a lightly cemented sand on advanced soil apparatus. The laboratory study has been carried on an angular to sub-angular silica sand reinforced with Portland cement of high early strength. The study aims to investigate the behaviour of a cemented sand under multiaxial loading conditions. True triaxial tests on cemented sand were conducted in a Cubical Cell Apparatus and exploration of the material response including failure limits under different constant stress paths (θ = 0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 150°, 180°) in the octahedral (π) plane were performed. The Hollow Cylinder Torsional Apparatus was used to vary the direction of the principal stresses during shearing (α = 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°). The Young’s modulus and shear modulus were measured by the application of a series of small unload reload cycles at different stages along the stress paths. At these investigation points, additional series of unload-reload cycles of higher amplitudes were also applied and the stiffness moduli assessed. Non-contact high-resolution displacement transducers where used to measure the quasi-elastic properties of the material and their dependency on the stress state, density and cement content. Cubical samples were prepared to evaluate the stiffness evolution over time with bench bender elements. All tests performed were conducted with a dense lightly cemented sand and a loose lightly cemented sand, with the same porosity/volumetric cement content index (η/Civ). Results showed that the cemented sand behaviour is entirely dependent on the direction of the principal loading. The intermediate principal stress directly effects on the behaviour of the cemented sand, as well as the direction of principal stress. Nevertheless, a reduction of the anisotropy of cemented specimens is observed through initial stiffness, as the cement hydration takes place.melhoramento de solos através de agentes químicos é uma prática corrente na engenharia geotécnica. O uso de cimento para o reforço de solos tem sido amplamente empregado, todavia a resposta do solo cimentado a carregamentos multiaxiais ainda é desconhecida. Estudos anteriores mostraram que pequenas quantidades de cimento incorporadas ao solo são capazes de melhorar características como resistência, redução do potencial de liquefação e deformações e aumento da durabilidade. Esta tese apresenta uma série de resultados de ensaios laboratoriais realizados em uma areia fracamente cimentada. Os ensaios foram conduzidos em uma areia silicosa reforçada com cimento Portland de alta resistência inicial. A pesquisa investigou o comportamento da areia cimentada sob condições de carregamento multiaxiais. As amostras cimentadas foram conduzidas a uma célula triaxial cúbica onde o comportamento do material, até sua ruptura, foi verificado através de diferentes caminhos de tensões (θ = 0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 150°, 180°) no plano octaédrico. Ensaios hollow cylinder, onde amostras em forma de cilindro vazado são ensaiadas através carregamentos axiais e torcionais, foram empregados para verificar o comportamento do material cimentado durante a rotação das tensões principados (α = 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°). Os módulos de Young e cisalhante foram medidos durante pequenos ciclos de carga e descarga em diferentes pontos durante o carregamento nos ensaios hollow cylinder, Amostras cúbicas foram preparadas para a avaliação da evolução da rigidez durante a cura através de bender elements inseridos nas seis faces das amostras. Os ensaios foram conduzidos em uma areia fracamente cimentada com uma composição densa e uma fofa, mantendo-se o mesmo índice porosidade/teor volumétrico de cimento (η/Civ). Os resultados mostram que o comportamento da areia cimentada é dependente da direção principal de carregamento. A tensão principal intermediaria afetou o comportamento da areia cimentada, assim como a direção das tensões principais. Além disso, foi observada uma redução na anisotropia das amostras com a evolução da cimentação

Desenvolvimento de equipamento para ensaios Simple Shear

Em virtude da presença cada vez mais frequente de solicitações cíclicas nas estruturas de engenharia e do aprimoramento da análise de projetos, os ensaios em solos sob carregamentos cíclicos tiveram seu interesse renovado nos últimos anos. Os ensaios de laboratório são realizados de forma que simulem, da melhor maneira possível, as condições observadas em campo. Tais condições auxiliam na escolha dos ensaios a serem conduzidos para a determinação de parâmetros geotécnicos relevantes a cada situação observada em campo. Dentre os ensaios empregados na Engenharia Geotécnica, destaca-se o simple shear. Este ensaio é conhecido e utilizado para medir a resistência ao cisalhamento e a rigidez de solos. Este é o único ensaio de laboratório capaz de submeter uma amostra a condições de deformação plana sob volume constante e permitir a rotação das tensões principais. Tais condições são frequentemente representativas em diversas situações em campo como, por exemplo, o modo de cisalhamento adjacente ao fuste de uma estaca ou sob plataformas offshore com base gravitacional. Nesse contexto, um equipamento foi desenvolvido para a realização de ensaios do tipo simple shear. O aparato conta com uma câmara, na qual é aplicada pressão à amostra de solo. Diferenciando-se do equipamento comercial para tais ensaios, que emprega uma membrana com anéis metálicos, a amostra de solo neste equipamento é envolta por uma membrana de látex, o que possibilita a consolidação de forma isotrópica ou anisotrópica. Quanto ao carregamento, o equipamento desenvolvido permite que o carregamento seja realizado de forma monotônica ou clíclica. Quando do carregamento cíclico, este pode ainda ser realizado de forma a se manter a tensão controlada ou a deformação. Foram conduzidos ensaios de calibração e validação do equipamento empregando-se uma areia fina de granulometria uniforme cujas propriedades são amplamente conhecidas através de outros ensaios. Os resultados obtidos foram então comparados com estudos no mesmo material em equipamentos triaxiais, cisalhamento direto e outro simple shear. Os resultados mostraram-se satisfatórios, validando o equipamento desenvolvido.In view of the ever more frequent presence of the cyclic solicitations on Engineering structures and the enhancement of design analysis, the soil testing under cyclic loading conditions had its interest renewed in the last years. The laboratory tests are conduced in a way that simulates, in the best way possible, the observed field conditions. Said conditions aid on the choice of the tests to be conducted in order to determinate the relevant geomechanics parameters.to each situation observed on the field. Among the employed tests in Geotechnical Engineering, it is highlighted the simple shear. This test is known and used to measure the shear strength and soil righty. This is the only laboratory test capable of submitting the sample to plane strain conditions under constant volume and allows the main stress rotations. Said conditions are frequently representative in many field situations, such as, the adjacent shear mechanism to the shaft of a pile or, under offshore platforms with gravitational base. In this context, a equipment was developed to perform simple shear tests. The apparatus has a chamber, in which it is applied confining pressure to the soil sample. Contrasting from the commercial equipment for said tests, that uses a membrane with metallic rings, in this equipment the soil sample is involved by a latex membrane, allowing the consolidation being carried out isotropically or anisotropically. The loading on this equipment can be conduced on monotonic or cyclic conditions. The cyclic loading can even be conduced by controlling the deformation or the stress. Calibration and validation testes where conduced on the equipment using a fine sand of uniform granulometry which properties are largely known through other tests. The obtained results where then compared to other tests carried out on the same material in triaxial tests, direct shear and other simple shear, The results obtained were considered satisfactory, validating the developed equipment

Resposta de uma areia cimentada sob carregamentos multiaxiais

The improvement of soil with the use of chemical agents is a common technique in geotechnical engineering. Although the use of cement is widely employed in the field, the behaviour of the mechanisms of soil response to multiple loadings is still not fully known. Previous studies have shown that even small amounts of cement add to the soil characteristics as strength, reduction to liquefaction potential, durability and lower deformability. This thesis presents experimental tests conducted on a lightly cemented sand on advanced soil apparatus. The laboratory study has been carried on an angular to sub-angular silica sand reinforced with Portland cement of high early strength. The study aims to investigate the behaviour of a cemented sand under multiaxial loading conditions. True triaxial tests on cemented sand were conducted in a Cubical Cell Apparatus and exploration of the material response including failure limits under different constant stress paths (θ = 0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 150°, 180°) in the octahedral (π) plane were performed. The Hollow Cylinder Torsional Apparatus was used to vary the direction of the principal stresses during shearing (α = 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°). The Young’s modulus and shear modulus were measured by the application of a series of small unload reload cycles at different stages along the stress paths. At these investigation points, additional series of unload-reload cycles of higher amplitudes were also applied and the stiffness moduli assessed. Non-contact high-resolution displacement transducers where used to measure the quasi-elastic properties of the material and their dependency on the stress state, density and cement content. Cubical samples were prepared to evaluate the stiffness evolution over time with bench bender elements. All tests performed were conducted with a dense lightly cemented sand and a loose lightly cemented sand, with the same porosity/volumetric cement content index (η/Civ). Results showed that the cemented sand behaviour is entirely dependent on the direction of the principal loading. The intermediate principal stress directly effects on the behaviour of the cemented sand, as well as the direction of principal stress. Nevertheless, a reduction of the anisotropy of cemented specimens is observed through initial stiffness, as the cement hydration takes place.melhoramento de solos através de agentes químicos é uma prática corrente na engenharia geotécnica. O uso de cimento para o reforço de solos tem sido amplamente empregado, todavia a resposta do solo cimentado a carregamentos multiaxiais ainda é desconhecida. Estudos anteriores mostraram que pequenas quantidades de cimento incorporadas ao solo são capazes de melhorar características como resistência, redução do potencial de liquefação e deformações e aumento da durabilidade. Esta tese apresenta uma série de resultados de ensaios laboratoriais realizados em uma areia fracamente cimentada. Os ensaios foram conduzidos em uma areia silicosa reforçada com cimento Portland de alta resistência inicial. A pesquisa investigou o comportamento da areia cimentada sob condições de carregamento multiaxiais. As amostras cimentadas foram conduzidas a uma célula triaxial cúbica onde o comportamento do material, até sua ruptura, foi verificado através de diferentes caminhos de tensões (θ = 0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 150°, 180°) no plano octaédrico. Ensaios hollow cylinder, onde amostras em forma de cilindro vazado são ensaiadas através carregamentos axiais e torcionais, foram empregados para verificar o comportamento do material cimentado durante a rotação das tensões principados (α = 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°). Os módulos de Young e cisalhante foram medidos durante pequenos ciclos de carga e descarga em diferentes pontos durante o carregamento nos ensaios hollow cylinder, Amostras cúbicas foram preparadas para a avaliação da evolução da rigidez durante a cura através de bender elements inseridos nas seis faces das amostras. Os ensaios foram conduzidos em uma areia fracamente cimentada com uma composição densa e uma fofa, mantendo-se o mesmo índice porosidade/teor volumétrico de cimento (η/Civ). Os resultados mostram que o comportamento da areia cimentada é dependente da direção principal de carregamento. A tensão principal intermediaria afetou o comportamento da areia cimentada, assim como a direção das tensões principais. Além disso, foi observada uma redução na anisotropia das amostras com a evolução da cimentação

Misturas solo-cal-fibra : comportamento mecânico à compressão e tração

O melhoramento dos solos locais de baixa capacidade suporte com a inclusão de fibras e materiais cimentantes, visando a construção de bases de pavimento estabilizadas e de fundações superficiais, apresenta vantagens econômicas e ambientais ao evitar o transporte de materiais de outras regiões e a necessidade de áreas para bota-fora. Estudos feitos no Legg Environgeo da UFRGS mostraram que a metodologia de dosagem baseada na relação porosidade/teor volumétrico de agente cimentante foi satisfatória para a estimativa da resistência de misturas tratadas com cal. Neste contexto, este trabalho objetivou quantificar a influência da quantidade de cal, da porosidade e da razão porosidade/cal na estimativa da resistência à compressão (qu) e à tração (qt) em misturas solo-cal-fibra de polipropileno. O solo a ser melhorado é um silte argiloso, denominado caulim rosa. O programa experimental foi desenvolvido possibilitando que a influência da adição da fibra nas misturas fosse quantificada isoladamente. Foram estudados três pesos específicos aparentes secos, 14, 15 e 16 kN/m³, contendo 3, 5, 7 e 9% de cal, calculados em relação à massa de solo seca, e um teor de fibra, 0,5%, calculado em relação à massa de sólidos da mistura. Os resultados indicaram que o aumento dos teores de cal afeta linearmente no aumento da resistência (qu) e (qt). Verificou-se, também, que, através de curvas potenciais, foi possível expressar o comportamento da redução da porosidade sobre a resistência das misturas. A relação porosidade/teor volumétrico de cal demonstrou-se apropriada na estimativa dos valores de qu e qt. Obteve-se uma relação única entre qu/qt para todas as amostras solo-cal-fibra estudadas, e esta relação é independente da razão porosidade/teor volumétrico de cal. Finalmente, fez-se a análise dos resultados com e sem a inclusão de fibras, essa comparação mostrou que a inclusão das fibras acarretou na diminuição da resistência das amostras