Comportamiento de un suelo compactado bajo un estado generalizado de tensiones

Aplicat embargament des de la data de defensa fins el 30 de setembre de 2020This thesis analyzes the hydro-mechanical behavior under a generalized stress state of a compacted mixture of sand (30%) and clayey (70%) at a low density. The experimental study focuses on the analysis of shear strength at different stress paths and at different initial suction values (as-compacted), and the response to collapse due to saturation. For the investigation a conventional triaxial equipment and a hollow cylinder apparatus with automatic control of internal and external chamber pressures, back pressure and axial stress and torque were used. The equipment was not adapted for the measurement of deformations of unsaturated soils, being necessary a calibration of the volumes of the chambers and the relation with the change of volume of the sample. Preliminary tests were performed to better understand the studied of the mixture, like compaction tests, retention curve, oedometer compressibility tests and direct shear and obtain strength, suction and permeability parameters. The shear strength was analyzed through tests carried out in conventional triaxial equipment and in hollow cylinder apparatus, with different stress paths, changing the stress state, valued by parameter b (or Lode angle) and different compaction water content. Low deformation cyclic tests were performed to obtain the shear module in hollow cylinder, using two types of soil, the sand / clayey mixture and a MX-80 bentonite, seeking to analyze the possibilities of testing with the equipment and compare it to the results obtained in other. The results showed that the module obtained in other equipment is greater than those found in hollow cylinder, approaching with increasing deformations, behavior observed for both materials. The collapse tests were performed with constant mean stress (p= 200kPa), different values of deviator stress (q= 10, 75, 185kPa) and different intermediate stress values (b= 0, 0,5, 0,8). The results of the shear strength allowed to define the variation of the critical state line with the Lode angle and the matric suction. Different yield surface models were used for isotropic and anisotropic surface, to verify the rotation of the surface and observe the presence of anisotropic behavior. In all models the change in the critical state line due to the Lode angle was considered. The yield surfaces adjusted well to the experimental results, considering the inclination of the surface and the dependence of the Lode angle. It was observed that the size of the yield surface depends on the suction and the state of tension applied and, a relationship of the parameters was proposed, in order to normalize the yield surface. It was noted that the surface has an inclination due to static compaction, which can be obtained by compaction stresses. It was also observed that this inclination may change depending on the value of b applied to the stress path. Saturation tests under generalized load were analyzed using the BBM model (Barcelona Basic Model) and showed a greater dependence on the magnitude of the deviator stress applied than on the variation of parameter b, and presented a good relationship with the total deformation values. An empirical equation was proposed to estimate the potential for collapse for the different values of b in hollow cylinder, triaxial and oedometer tests.Esta tesis analiza el comportamiento hidro-mecánico bajo un estado generalizado de tensiones de una mezcla de arena (30%) y arcilla (70%) compactada a una baja densidad. El estudio experimental se centra en el análisis de la resistencia al corte a diferentes trayectorias tensionales a diferentes valores de succión inicial (post compactación) y, a la respuesta al colapso debido la saturación. Para la investigación, se utilizó un equipo triaxial convencional y un equipo de cilindro hueco con control automático de las presiones de cámara interna y externa, de cola y de tensión axial y torque. El equipo no estaba adaptado para la medición de deformaciones de suelos no saturados, siendo necesario una calibración de los volúmenes de las cámaras y la relación con el cambio de volumen de la muestra. Se realizaron ensayos preliminares de compactación, curva de retención, ensayos de compresibilidad edométrica y corte directo, para conocer mejor la mezcla estudiada y obtener parámetros de resistencia, succión y permeabilidad. La resistencia al corte fue analizada a través de ensayos ejecutados en equipo triaxial convencional y en un equipo de cilindro hueco, con diferentes trayectorias tensionales y variando el estado de tensiones, valorado por el parámetro b (o ángulo de Lode) y a diferentes humedades de compactación. Se realizaron ensayos de deformación cíclica a baja deformación para la obtención del módulo de corte en cilindro hueco, utilizando dos tipos de suelo, la mezcla arena/arcilla y una bentonita MX-80, buscando analizar las diferentes posibilidades de ensayos con el equipo y compararlo a los resultados obtenidos en otros equipos. Los resultados mostraron que el módulo obtenido en otros equipos es mayor inicialmente que los encontrados en cilindro hueco, acercándose con el aumento de las deformaciones, comportamiento observado para ambos materiales. Los ensayos de saturación fueron realizados con tensión media constante (p=200kPa), diferentes valores de tensión desviadora (10, 75, 185kPa) y diferentes valores de b (0, 0.5, 0.8). Los resultados de los ensayos de resistencia al corte permitieron definir la variación de la línea de estado crítico con el ángulo de Lode y la succión matricial. Se utilizaron diferentes modelos para la superficie de fluencia, isótropa y anisótropa, para analizar el comportamiento del material y observar la presencia de un comportamiento anisótropo. En todos los modelos se consideró el cambio en la línea de estado crítico debido al ángulo de Lode. Las superficies de fluencia se ajustaron bien a los resultados experimentales, considerando la inclinación de la superficie y la dependencia del ángulo de Lode. Se observó que el tamaño de la superficie de fluencia depende de la succión y del estado de tensión aplicado y, se propuso una relación de los parámetros, a fin de normalizar las superficies de fluencia. Se notó que la superficie presenta una inclinación debido la compactación estática, la cual puede ser obtenida por las tensiones de compactación. También se observó que esta inclinación puede sufrir cambios dependiendo del valor de b aplicado a la trayectoria de tensión. Los ensayos de saturación bajo carga generalizada fueron analizados utilizando el modelo BBM (Barcelona Basic Model) y mostraron una dependencia mayor de la magnitud de la tensión desviadora aplicada que de la variación del parámetro b, y presentó buena relación con los valores totales de deformación. Se propuso una ecuación empírica para estimar el potencial de colapso para los diferentes valores de b en ensayos en cilindro hueco, triaxial y edómetro.Postprint (published version

Shear strength and yield surface of a partially saturated sandy silt under generalized stress states

This paper studies the hydromechanical behavior of a slightly compacted mixture of sand and clayey silt (30%/70%) under a generalized stress state. The experimental study focused on analyzing the yielding response and shear strength behavior at different stress states (characterized by the intermediate principal stress parameter b, or Lode angle) and at different initial total suctions (as-compacted state). For the investigation, a hollow cylinder apparatus was used. The shear strength results allowed defining the variation of the critical state line with the Lode angle and the suction. Different models were proposed for isotropic and anisotropic yield surfaces, and their shape and rotation were calibrated with experimental results. The modeled yield surfaces fitted reasonably well the experimental results, considering their inclination and dependence on the suction, mean and deviatoric stresses and Lode angle. In addition, some relationships between the stresses and the model parameters were proposed to normalize the yield surface equation.The authors acknowledge the financial support of Capes Scholarship Proc. Bex13299/13-1 (Brazil).Peer ReviewedPostprint (published version

Comportamiento de un suelo compactado bajo un estado generalizado de tensiones

This thesis analyzes the hydro-mechanical behavior under a generalized stress state of a compacted mixture of sand (30%) and clayey (70%) at a low density. The experimental study focuses on the analysis of shear strength at different stress paths and at different initial suction values (as-compacted), and the response to collapse due to saturation. For the investigation a conventional triaxial equipment and a hollow cylinder apparatus with automatic control of internal and external chamber pressures, back pressure and axial stress and torque were used. The equipment was not adapted for the measurement of deformations of unsaturated soils, being necessary a calibration of the volumes of the chambers and the relation with the change of volume of the sample. Preliminary tests were performed to better understand the studied of the mixture, like compaction tests, retention curve, oedometer compressibility tests and direct shear and obtain strength, suction and permeability parameters. The shear strength was analyzed through tests carried out in conventional triaxial equipment and in hollow cylinder apparatus, with different stress paths, changing the stress state, valued by parameter b (or Lode angle) and different compaction water content. Low deformation cyclic tests were performed to obtain the shear module in hollow cylinder, using two types of soil, the sand / clayey mixture and a MX-80 bentonite, seeking to analyze the possibilities of testing with the equipment and compare it to the results obtained in other. The results showed that the module obtained in other equipment is greater than those found in hollow cylinder, approaching with increasing deformations, behavior observed for both materials. The collapse tests were performed with constant mean stress (p= 200kPa), different values of deviator stress (q= 10, 75, 185kPa) and different intermediate stress values (b= 0, 0,5, 0,8). The results of the shear strength allowed to define the variation of the critical state line with the Lode angle and the matric suction. Different yield surface models were used for isotropic and anisotropic surface, to verify the rotation of the surface and observe the presence of anisotropic behavior. In all models the change in the critical state line due to the Lode angle was considered. The yield surfaces adjusted well to the experimental results, considering the inclination of the surface and the dependence of the Lode angle. It was observed that the size of the yield surface depends on the suction and the state of tension applied and, a relationship of the parameters was proposed, in order to normalize the yield surface. It was noted that the surface has an inclination due to static compaction, which can be obtained by compaction stresses. It was also observed that this inclination may change depending on the value of b applied to the stress path. Saturation tests under generalized load were analyzed using the BBM model (Barcelona Basic Model) and showed a greater dependence on the magnitude of the deviator stress applied than on the variation of parameter b, and presented a good relationship with the total deformation values. An empirical equation was proposed to estimate the potential for collapse for the different values of b in hollow cylinder, triaxial and oedometer tests.Esta tesis analiza el comportamiento hidro-mecánico bajo un estado generalizado de tensiones de una mezcla de arena (30%) y arcilla (70%) compactada a una baja densidad. El estudio experimental se centra en el análisis de la resistencia al corte a diferentes trayectorias tensionales a diferentes valores de succión inicial (post compactación) y, a la respuesta al colapso debido la saturación. Para la investigación, se utilizó un equipo triaxial convencional y un equipo de cilindro hueco con control automático de las presiones de cámara interna y externa, de cola y de tensión axial y torque. El equipo no estaba adaptado para la medición de deformaciones de suelos no saturados, siendo necesario una calibración de los volúmenes de las cámaras y la relación con el cambio de volumen de la muestra. Se realizaron ensayos preliminares de compactación, curva de retención, ensayos de compresibilidad edométrica y corte directo, para conocer mejor la mezcla estudiada y obtener parámetros de resistencia, succión y permeabilidad. La resistencia al corte fue analizada a través de ensayos ejecutados en equipo triaxial convencional y en un equipo de cilindro hueco, con diferentes trayectorias tensionales y variando el estado de tensiones, valorado por el parámetro b (o ángulo de Lode) y a diferentes humedades de compactación. Se realizaron ensayos de deformación cíclica a baja deformación para la obtención del módulo de corte en cilindro hueco, utilizando dos tipos de suelo, la mezcla arena/arcilla y una bentonita MX-80, buscando analizar las diferentes posibilidades de ensayos con el equipo y compararlo a los resultados obtenidos en otros equipos. Los resultados mostraron que el módulo obtenido en otros equipos es mayor inicialmente que los encontrados en cilindro hueco, acercándose con el aumento de las deformaciones, comportamiento observado para ambos materiales. Los ensayos de saturación fueron realizados con tensión media constante (p=200kPa), diferentes valores de tensión desviadora (10, 75, 185kPa) y diferentes valores de b (0, 0.5, 0.8). Los resultados de los ensayos de resistencia al corte permitieron definir la variación de la línea de estado crítico con el ángulo de Lode y la succión matricial. Se utilizaron diferentes modelos para la superficie de fluencia, isótropa y anisótropa, para analizar el comportamiento del material y observar la presencia de un comportamiento anisótropo. En todos los modelos se consideró el cambio en la línea de estado crítico debido al ángulo de Lode. Las superficies de fluencia se ajustaron bien a los resultados experimentales, considerando la inclinación de la superficie y la dependencia del ángulo de Lode. Se observó que el tamaño de la superficie de fluencia depende de la succión y del estado de tensión aplicado y, se propuso una relación de los parámetros, a fin de normalizar las superficies de fluencia. Se notó que la superficie presenta una inclinación debido la compactación estática, la cual puede ser obtenida por las tensiones de compactación. También se observó que esta inclinación puede sufrir cambios dependiendo del valor de b aplicado a la trayectoria de tensión. Los ensayos de saturación bajo carga generalizada fueron analizados utilizando el modelo BBM (Barcelona Basic Model) y mostraron una dependencia mayor de la magnitud de la tensión desviadora aplicada que de la variación del parámetro b, y presentó buena relación con los valores totales de deformación. Se propuso una ecuación empírica para estimar el potencial de colapso para los diferentes valores de b en ensayos en cilindro hueco, triaxial y edómetro

Avaliação das trajetórias de umedecimento e secagem na deformabilidade elástica de solos compactos

Este trabalho analisa os efeitos das trajetórias de umedecimento e secagem no módulo de resiliência e cisalhamento direto quanto à resistência e deformabilidade elástica de solos compactados através de ensaios triaxiais de carga cíclica e ensaios de cisalhamento direto. O solo estudado é oriundo de jazida localizada próximo à BR116/RS, no município de Guaíba, sendo usualmente utilizado como material para execução de aterros rodoviários. As curvas de retenção do solo foram obtidas pelo método de papel filtro para solos compactados com variação de teor de umidade ótima de ±2%. Os estudos de módulo de resiliência e de resistência ao cisalhamento foram analisados nestas condições e demonstraram que o efeito do teor de umidade é significativo nas trajetórias de secagem e umedecimento. As curvas de retenção mostraram diferentes formas de acordo com a umidade de compactação e apresentaram histerese após a amostra ser submetida à trajetória de secagem. Observou-se que os solos compactados no ramo seco apresentaram valores mais elevados de módulo de resiliência e de resistência ao cisalhamento que aqueles que se encontravam no ramo úmido da curva de compactação. Uma análise do solo compactado no ramo seco e umedecido posteriormente até o ramo úmido teve comportamento semelhante aos moldados neste ramo. Por outro lado, na trajetória de secagem dos solos compactados no ramo úmido observou-se um aumento na resistência. Os modelos de desempenho para módulo de resiliência apresentaram boas correlações e para os que utilizam a sucção, observa-se um comportamento diferente com relação aos que não utilizam e com relação às constantes de cada modelo.This paper analyzes the effects of wetting and drying paths in resilient modulus and shear strength for resistance and elastic deformability of compacted soils through triaxial cyclic load tests and direct shear tests. The soil studied is derived from BR116/RS near the Guaiba’s city, usually being used for subgrade. The retention curves of the soil were obtained by the filter paper method, with optimum moisture content varying a range of ± 2%. The studies of resilient modulus and shear strength were analyzed in these conditions and showed that the effect of moisture content is significant in the drying and wetting trajectories. The retention curves showed different forms according to the moisture content in the compaction, showed hysteresis after the specimen is subjected to the drying trajectory. It was observed that the soils compacted and tested in the dry branch had higher resilient modulus and shear strength than those compacted in the wet branch. An analysis of the soil compacted in the dry branch and subsequently dampened up to the wet branch had similar behavior to the soil molded ah this branch. On the other hand, in the trajectory of drying of the compacted soil at wet branch there is an increase in resistance. Performance models for resilient modulus showed good correlations and those using suction, observe a different behavior with respect to that use and not with respect to the constants of each model

Cinzas pesadas geradas na região carbonífera do Rio Grande do Sul : uso em misturas asfálticas a quente

Este trabalho analisa a cinza pesada, resíduo oriundo da combustão do carvão fóssil para geração de energia, para uso em misturas asfálticas de camadas de revestimento. O impacto ambiental criado pelo excesso desse resíduo sólido e a grande demanda por material natural necessário para os serviços de pavimentação, são razões importantes para o desenvolvimento de pesquisas na área de sustentabilidade na Engenharia. Um revestimento asfáltico deve ser capaz de resistir aos esforços que recebe do tráfego e transmitir segurança e conforto aos usuários, sem apresentar defeitos. Para avaliação das misturas asfálticas a quente, que serão utilizadas em camadas de revestimento, são necessários alguns ensaios convencionais tais como: estabilidade Marshall, fluência, resistência à tração e módulo de resiliência. A primeira etapa do trabalho consistiu em pesquisa bibliográfica para estudar as características físicas e químicas das cinzas pesadas, como também sua classificação com relação à periculosidade. Durante a segunda etapa, foram confeccionados corpos-de-prova com diferentes percentuais de cinzas pesadas e foram determinadas as estabilidades Marshall, fluência, módulos de resiliência e resistência à tração. Essa etapa foi importante para descobrir o percentual ótimo de cinzas na mistura. A terceira etapa consistiu na análise dos resultados obtidos nos ensaios, comparando-os com uma mistura convencional e na análise mecanística com os parâmetros. Observou-se que de forma geral as misturas com cinza pesada mostraram desempenho satisfatório, satisfazendo aos mínimos recomendados por normas brasileiras

Cinzas pesadas geradas na região carbonífera do Rio Grande do Sul : uso em misturas asfálticas a quente

Este trabalho analisa a cinza pesada, resíduo oriundo da combustão do carvão fóssil para geração de energia, para uso em misturas asfálticas de camadas de revestimento. O impacto ambiental criado pelo excesso desse resíduo sólido e a grande demanda por material natural necessário para os serviços de pavimentação, são razões importantes para o desenvolvimento de pesquisas na área de sustentabilidade na Engenharia. Um revestimento asfáltico deve ser capaz de resistir aos esforços que recebe do tráfego e transmitir segurança e conforto aos usuários, sem apresentar defeitos. Para avaliação das misturas asfálticas a quente, que serão utilizadas em camadas de revestimento, são necessários alguns ensaios convencionais tais como: estabilidade Marshall, fluência, resistência à tração e módulo de resiliência. A primeira etapa do trabalho consistiu em pesquisa bibliográfica para estudar as características físicas e químicas das cinzas pesadas, como também sua classificação com relação à periculosidade. Durante a segunda etapa, foram confeccionados corpos-de-prova com diferentes percentuais de cinzas pesadas e foram determinadas as estabilidades Marshall, fluência, módulos de resiliência e resistência à tração. Essa etapa foi importante para descobrir o percentual ótimo de cinzas na mistura. A terceira etapa consistiu na análise dos resultados obtidos nos ensaios, comparando-os com uma mistura convencional e na análise mecanística com os parâmetros. Observou-se que de forma geral as misturas com cinza pesada mostraram desempenho satisfatório, satisfazendo aos mínimos recomendados por normas brasileiras

Avaliação das trajetórias de umedecimento e secagem na deformabilidade elástica de solos compactos

Este trabalho analisa os efeitos das trajetórias de umedecimento e secagem no módulo de resiliência e cisalhamento direto quanto à resistência e deformabilidade elástica de solos compactados através de ensaios triaxiais de carga cíclica e ensaios de cisalhamento direto. O solo estudado é oriundo de jazida localizada próximo à BR116/RS, no município de Guaíba, sendo usualmente utilizado como material para execução de aterros rodoviários. As curvas de retenção do solo foram obtidas pelo método de papel filtro para solos compactados com variação de teor de umidade ótima de ±2%. Os estudos de módulo de resiliência e de resistência ao cisalhamento foram analisados nestas condições e demonstraram que o efeito do teor de umidade é significativo nas trajetórias de secagem e umedecimento. As curvas de retenção mostraram diferentes formas de acordo com a umidade de compactação e apresentaram histerese após a amostra ser submetida à trajetória de secagem. Observou-se que os solos compactados no ramo seco apresentaram valores mais elevados de módulo de resiliência e de resistência ao cisalhamento que aqueles que se encontravam no ramo úmido da curva de compactação. Uma análise do solo compactado no ramo seco e umedecido posteriormente até o ramo úmido teve comportamento semelhante aos moldados neste ramo. Por outro lado, na trajetória de secagem dos solos compactados no ramo úmido observou-se um aumento na resistência. Os modelos de desempenho para módulo de resiliência apresentaram boas correlações e para os que utilizam a sucção, observa-se um comportamento diferente com relação aos que não utilizam e com relação às constantes de cada modelo.This paper analyzes the effects of wetting and drying paths in resilient modulus and shear strength for resistance and elastic deformability of compacted soils through triaxial cyclic load tests and direct shear tests. The soil studied is derived from BR116/RS near the Guaiba’s city, usually being used for subgrade. The retention curves of the soil were obtained by the filter paper method, with optimum moisture content varying a range of ± 2%. The studies of resilient modulus and shear strength were analyzed in these conditions and showed that the effect of moisture content is significant in the drying and wetting trajectories. The retention curves showed different forms according to the moisture content in the compaction, showed hysteresis after the specimen is subjected to the drying trajectory. It was observed that the soils compacted and tested in the dry branch had higher resilient modulus and shear strength than those compacted in the wet branch. An analysis of the soil compacted in the dry branch and subsequently dampened up to the wet branch had similar behavior to the soil molded ah this branch. On the other hand, in the trajectory of drying of the compacted soil at wet branch there is an increase in resistance. Performance models for resilient modulus showed good correlations and those using suction, observe a different behavior with respect to that use and not with respect to the constants of each model